POSTECH, 물질투과성 ‘3차원 세포 스페로이드 배양 플랫폼’ 개발

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 인체 장기의 기능과 구조가 유사한 3차원 세포 응집체를 장기간 균일하고 안정적으로 배양할 수 있는 ‘고기능성 3차원 스페로이드 배양 플랫폼’을 개발했다.

POSTECH 기계공학과 김동성 교수, 통합과정 김도희 씨, 이성진 씨 연구팀은 생존 능력과 기능성이 향상된 스페로이드를 균일하고 안정적으로 만들 수 있다.

장기간 배양까지 할 수 있는 물질투과성 나노섬유 마이크로웰 어레이를 개발했다. 이 연구성과는 국제학술지 ‘바이오패브리케이션(Biofabrication)’에 최근 게재됐다.

3차원 세포 스페로이드(Spheroid)는 2차원 세포 모델에 비해 생체 장기와 유사한 구조 및 기능을 보유하고 있어 조직 공학, 암 연구, 약물 개발, 정밀의료 등 다양한 연구 분야에서 활용되고 있다. 

대표적인 스페로이드 배양 플랫폼으로는 하이드로젤 지지체와 마이크로웰 어레이가 사용돼 왔다. 

하이드로젤 지지체는 장기간 스페로이드 배양이 가능하다는 장점을 가지고 있지만, 스페로이드간 균일성이 떨어지는 단점이 있다. 

이에 비해 마이크로웰 어레이는 균일한 스페로이드 배양이 가능하지만, 플랫폼의 비투과성으로 인해 스페로이드에게 필요한 영양분을 공급하거나 스페로이드의 대사 산물들을 효과적으로 배출하기 어려워 장기간 스페로이드를 배양하기 어렵다는 한계가 지적되고 있다.

기존 스페로이드 배양 플랫폼의 한계를 극복하고자 연구팀은 전기방사법으로 제작된 나노섬유 멤브레인을 3차원으로 가공할 수 있는 나노성형 공정을 새로 개발했다. 

연구팀은 개발된 나노성형 기술을 기반으로 크기, 종횡비, 웰 밀도 제어가 가능한 타원형 구조의 나노섬유 마이크로웰 어레이를 제작함으로써 스페로이드들을 세포 손실 없이 균일하고 안정적인 방식으로 형성하는데 성공했다. 

나노섬유 멤브레인의 다공성 특성을 유지함으로써 장기간 배양이 가능해 기존의 불투과성 마이크로웰 어레이에서 배양된 세포 스페로이드 대비 향상된 생존 능력과 기능성을 확보했다.

김동성 교수는 “이번에 개발한 물질투과성 나노섬유 마이크로웰 어레이를 활용하면 다수의 스페로이드들을 장기간 균일하고 안정적으로 배양할 수 있으며 스페로이드의 생존 능력뿐 아니라 그 기능성을 향상시킬 수 있어 향후 고기능성 오가노이드 배양 연구에 활용이 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 바이오·의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.