일반적으로 항암 치료는 종양의 유전체와 분자적 배경에 따라 환자마다 다른 결과를 초래한다. 만약, 환자에게서 채취한 암세포나 줄기세포를 배양해 약물 반응을 사전에 시험해보고, 환자에게 맞는 치료제를 찾는다면 어떨까? POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 3D 바이오 프린팅 기술을 이용해 혈관화된 전이성 암 체외 모델(in vitro model)을 제작하는 데 성공함으로써 개인별 맞춤 암 치료의 길이 열렸다.

POSTECH 기계공학과 조동우 교수·통합과정 조원우씨, 부산대 의생명융합공학부 김병수 교수, 베이징 이공대학 가오그 교수 연구팀이 3차원 세포 프린팅 기술을 바탕으로 탈세포화 세포외 기질 바이오잉크 배스(vascular endothelium system, VESbioink bath) 내에 전이성 흑색종의 특징을 모사하는 암 스페로이드(cancer spheroid)를 바로 프린팅할 수 있는 인-시투(in situ) 세포 프린팅 기법을 개발했다. 또, 이 기술을 이용해 다양한 직경을 가지는 암 스페로이드를 혈관과 함께 제작하는 데 성공했다. 이번 연구의 성과는 국제학술지 '스몰 메소드(Small Methods)'에 지난달 14일에 게재됐으며, 표지논문(Inside Front Cover)으로 선정됐다.

실제 암과 유사한 성질을 가지는 체외 모델을 제작하기 위해서는 암 세포들을 서로 응집된 스페로이드(3차원으로 배양된 세포의 원형집합체) 형태로 배양하는 것이 중요하다. 특히, 암이 진행되는 동안 암의 크기와 혈관으로부터의 위치는 암의 저산소증(hypoxia), 이로 인한 주변 혈관으로부터의 혈관신생(angiogenesis)을 크게 좌우하기 때문에 암의 전이를 보다 정확하게 재현하기 위해서는 이러한 특성들을 모사할 수 있어야 한다. 하지만 제작 기술의 한계로 인해, 이러한 암의 병리학적 특성들을 모사한 체외 모델은 지금까지 보고된 바가 없다.

연구팀은 3차원 암 스페로이드를 손쉽게 제작할 수 있는 세포 프린팅 기술을 개발했다. 크기 조정과 위치 제어가 가능한 3D 암 스페로이드(500–1000µm)를 바이오잉크 내에서 직접 프린팅하는 방법이다. 연구팀은 스페로이드의 크기 조절을 통해 저산소증 영역 형성을 확인하고, 전이 관련 유전자 발현 정도를 비교했다. 또한, 바이오잉크 배스 내에 혈관 내피세포로 구성된 관류(貫流) 가능한 혈관을 암 스페로이드와 함께 프린팅하여 체외 암-혈관 모델을 제작했다.

이렇게 혈관으로부터 다양한 거리에 암 스페로이드를 프린팅함으로써, 혈관과의 거리에 따른 암의 전이 양상의 변화를 관찰할 수 있었다. 또한, 실제 암의 미세환경(tumor microenvironment)에서 발생하는 혈관의 기능 장애와 새로운 혈관 생성뿐만 아니라 염증 현상까지 암과 혈관 사이의 거리 조절을 통해 유발할 수 있음을 확인했다.

조동우 교수는 “이번 연구를 통해 균일한 크기의 암 스페로이드를 빠른 시간에, 원하는 위치에 프린팅 할 수 있게 됐다”며 “실제 혈관의 구조를 모사한 체외 혈관과 함께 암 스페로이드를 프린팅함으로써 암이 혈관으로 전이되는 양상을 보다 정확하게 재현할 수 있었다”고 설명했다.

같은 암이라고 할지라도 환자마다 진행양상이 다르고, 암의 유전자 변이 상태도 다르기 때문에 개인별 맞춤치료가 필요하다. 이번 연구를 통해 추후 다양한 암 환자 유래 세포를 이용한 ‘환자 맞춤형 체외 암-혈관 모델’을 제작할 수 있는 가능성을 확인했다. 앞으로 효과적인 암 치료 방법을 찾을 수 있는 유망한 플랫폼이 될 것으로 기대된다.

이 연구는 한국연구재단 창의적 연구사업, 원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다.