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2018. 11
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혈관구조로 연결된 다세포 체외종양 모델 개발
Fibroblast-associated tumour microenvironment induces vascular structure-networked tumouroid
05. Feb. 2018. https://www.nature.com/articles/s41598-018-20886-0
서울아산병원 의공학연구소 정기석 박사 연구팀 (제 1저자: 이상우 박사후연구원)은 암세포와 주위조직이 포함된 다세포 종양모델을 개발하였다. 약물개발과정은 매우 복잡한 과정을 거치게 되지만, 크게 2차원으로 배양된 세포에 대한 약물평가, 동물실험, 그리고, 임상시험으로 이어진다. 이러한 약물개발과정에 투입되는 약물후보군당 평균적으로 약 1천억원의 비용이 투입되며, 하나의 약물개발에 전체적으로 약 1조원의 비용이 소요된다. 비단, 비용의 문제를 벗어나 실험동물의 희생이나 개발기간 또한 커다란 문제로 인식되고 있다. 이러한 비용, 시간 및 윤리적인 문제를 조금이나마 해결하고자 하는 노력이 진행되고 있다. 그 중 항암제 개발과정에서 동물실험전에 좀 더 많은 후보물질을 필터링해서 동물실험에 적용하고자 하는 노력은 복잡한 종양모델을 체외에서 형성하고 이를 이용하여 후보물질을 스크리닝하는 연구로 이어지고 있다. 즉, 체내와 유사한 미세환경을 가지는 체외 종양모델을 이용하여 동물실험 또는 임상실험에 들어가기 전에 후보군을 줄이면, 시간, 비용, 윤리적인 측면에서 좋은 결과를 얻을 가능성이 높기 때문이다
본 연구에서는 이러한 체내와 유사한 종양모델을 개발하기 위하여 미세유체칩내에 폐암세포주 (A549), 섬유아세포를 콜라겐 매트릭스에서 배양하여 체내에서 종양이 발생하는 환경을 형성하여 자연발생적으로 체내와 유사한 종양모델을 구현하는데 성공하였다. 또한 배양액이 공급되는 채널에 혈관세포를 함께 배양하여 혈관세포가 종양모델안으로 들어가서 혈관을 형성하고 또한 여러개의 종양모델간에 혈관세포에 의해서 발생한 혈관형태의 조직이 형성되는 것을 발견하였으며, 이들이 서로 연결되어서 수 mm 크기의 큰 체외종양모델이 형성될 수 있음을 보여주었다.
개발된 종양모델을 이용하여 항암제를 평가했을 때 2차원으로 배양된 모델에 비하여 매우 높은 정도의 약물저항성이 나타남을 확인하였다. 이번 연구 결과는 한국연구재단 개인연구 (신진연구)과제 및 서울아산병원 아산생명과학연구원 의공학 연구소 과제의 지원으로 진행되었으며, 국제 학술지인 사이언티픽 레포트(Scientific Reports; IF: 4.259) 2월5일 온라인에 개제되었다.
의공학 연구소 정기석 박사
맥파전도시간비 (PWTTR: Pulse Wave Transit Time Ratio) 및 심박출량 추정법
서울 아산병원 생리학교실 임채헌 교수님 연구팀에서는 학생들을 위한 교육 시뮬레이션 개발을 하는 EDISON 프로젝트, 헬스케어 지표 및 장비 개발, 한의학의 과학화 프로젝트 그리고 미토콘드리아 연구 등 다방면의 연구 분야에서 연구를 진행하고 있다. 그 중 대표적인 연구주제로 맥파(pulse wave)신호 연구를 들 수 있는데, 맥파에서 파생된 생리지표로 맥파전도시간비(PWTTR: Pulse Wave Transit Time Ratio) 및 맥파를 이용한 심박출량 추정 방법을 소개한다.
동맥경직도는 탄력성 감소에 의한 동맥의 단단한 정도를 의미하는 것이다. 동맥경직도를 결정하는 가장 주요한 인자는 연령으로, 나이가 들어 노화가 유발되면 동맥벽 조직에 변화가 발생하여서 탄성이 감소하고 경직도가 증가하게 된다. 혈압이 증가하여도 동맥경직도가 증가하며, 만성심부전, 당뇨, 고지혈증 등의 질병이나 흡연, 비만 등에 의해서도 증가한다. 동맥경직도는 맥파전도속도(PWV) 계측이 이론적으로 가장 정확하게 측정할 수 있으나 인체내 혈관구조의 복잡성과 측정부위의 거리 측정 에러로 인해 임상적의의 부여가 크지 않은 편이다. 그외에 경동맥두께를 측정하는 등 몇 가지 방법이 있으나 모두 보조적 지표로 활용할 뿐이다. 이러한 상황으로 인해 동맥경직도의 정확한 임상적의미 부여가 어려운 실정이다. 최근 본 연구실에서는 중심부혈관과 말단혈관의 맥파전도시간비를 활용한 새로운 동맥경직도 지표를 발굴하여 정상, 관상동맥부전증, 뇌졸증의 환자를 대상으로 비교한 결과 기존의 PWV보다 훨씬 우수한 구별능력을 가졌음을 확인하였고 현재 이를 씨유메디컬에 기술 이전하여 향후 심혈관계질환의 표준 스크리닝 검사법으로 정착되기를 기대하고 있다.
심박출량은 순환기지표에서 매우 중요한 의미를 지니고 있으나 일상생활에서 전문가의 도움 없이 계측하는것은 불가능하다. 현재 순환기 지표로 실생활에서 계측이 가능한 지표는 심박수와 혈압뿐이다. 이러한 지표만으로는 인체순환기 기능적 측면을 면밀히 제시하기에는 크게 부족하다. 이러한 이유로 인체순환기기능을 탐색하는 연구에 많은 제약이 존재하게 된다. 심박출량을 알 수 있다면 각 개개인의 많은 생리적 기능들 (혈류저항, 산소운반능, 산소소모량, 산소추출률, 열생산, 체온조절, 대사율)과 관련된 다양한 측면을 탐색할 수 있게된다. 본 연구실에서는 심박출량 추정법에 관하여는 이번에 연구피험자의 체표면에서 검출한 심장박동에 의한 맥파(pulse wave)신호로부터 심장박동을 모사하는 입력함수 및 맥파를 출력으로 하는 전달함수(transfer function)를 산출하여 그 시정수(time constant)를 산출하고 그 시정수를 이용하여 심박출량을 산출하는 과정의 심박출량 추정 방법에 대한 특허를 2018년 9월에 등록하였다.
이 특허는 비침습적(non-invasive)으로 심박출량을 추정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 맥파(pulse wave)를 이용하여 심박출량을 추정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 현재는 이러한 지표를 실제 상황에 적용하기 위한 기본알고리듬을 개발 중에 있다.
본 연구실에서 위와 같은 지표들의 발굴하는 목적은 지금까지 특별한 기구 또는 전문가의 도움없이는 확인하기 어려웠던 각 개개인의 생리적 기능들을 일상 생활에서 쉽게 파악하여 각각 맞춤형 건강관리 (생활관리)에 활용하게 하기 위함이다. 또한 새로운 의미있는 지표들을 발굴하여 이를 계측할 수 있는 기기를 개발하여 기존의 의료기기 시장과 다른 영역의 새로운 기기시장을 창출하고자 한다. 가까운 미래에 현재 스마트폰에 올라가 있는 몇몇 별 의미 없는 건강관리 앱들을 좀 더 의미있는 지표들을 활용하여 각 개인의 생리시스템을 구축하여 관리할 수 있는 앱으로 발전시키고자 한다.
What's New
혈관구조로 연결된 다세포 체외종양 모델 개발
Fibroblast-associated tumour microenvironment induces vascular structure-networked tumouroid
05. Feb. 2018. https://www.nature.com/articles/s41598-018-20886-0
서울아산병원 의공학연구소 정기석 박사 연구팀 (제 1저자: 이상우 박사후연구원)은 암세포와 주위조직이 포함된 다세포 종양모델을 개발하였다. 약물개발과정은 매우 복잡한 과정을 거치게 되지만, 크게 2차원으로 배양된 세포에 대한 약물평가, 동물실험, 그리고, 임상시험으로 이어진다. 이러한 약물개발과정에 투입되는 약물후보군당 평균적으로 약 1천억원의 비용이 투입되며, 하나의 약물개발에 전체적으로 약 1조원의 비용이 소요된다. 비단, 비용의 문제를 벗어나 실험동물의 희생이나 개발기간 또한 커다란 문제로 인식되고 있다. 이러한 비용, 시간 및 윤리적인 문제를 조금이나마 해결하고자 하는 노력이 진행되고 있다. 그 중 항암제 개발과정에서 동물실험전에 좀 더 많은 후보물질을 필터링해서 동물실험에 적용하고자 하는 노력은 복잡한 종양모델을 체외에서 형성하고 이를 이용하여 후보물질을 스크리닝하는 연구로 이어지고 있다. 즉, 체내와 유사한 미세환경을 가지는 체외 종양모델을 이용하여 동물실험 또는 임상실험에 들어가기 전에 후보군을 줄이면, 시간, 비용, 윤리적인 측면에서 좋은 결과를 얻을 가능성이 높기 때문이다
본 연구에서는 이러한 체내와 유사한 종양모델을 개발하기 위하여 미세유체칩내에 폐암세포주 (A549), 섬유아세포를 콜라겐 매트릭스에서 배양하여 체내에서 종양이 발생하는 환경을 형성하여 자연발생적으로 체내와 유사한 종양모델을 구현하는데 성공하였다. 또한 배양액이 공급되는 채널에 혈관세포를 함께 배양하여 혈관세포가 종양모델안으로 들어가서 혈관을 형성하고 또한 여러개의 종양모델간에 혈관세포에 의해서 발생한 혈관형태의 조직이 형성되는 것을 발견하였으며, 이들이 서로 연결되어서 수 mm 크기의 큰 체외종양모델이 형성될 수 있음을 보여주었다.
개발된 종양모델을 이용하여 항암제를 평가했을 때 2차원으로 배양된 모델에 비하여 매우 높은 정도의 약물저항성이 나타남을 확인하였다. 이번 연구 결과는 한국연구재단 개인연구 (신진연구)과제 및 서울아산병원 아산생명과학연구원 의공학 연구소 과제의 지원으로 진행되었으며, 국제 학술지인 사이언티픽 레포트(Scientific Reports; IF: 4.259) 2월5일 온라인에 개제되었다.
의공학 연구소 정기석 박사
맥파전도시간비 (PWTTR: Pulse Wave Transit Time Ratio) 및 심박출량 추정법
동맥경직도는 탄력성 감소에 의한 동맥의 단단한 정도를 의미하는 것이다. 동맥경직도를 결정하는 가장 주요한 인자는 연령으로, 나이가 들어 노화가 유발되면 동맥벽 조직에 변화가 발생하여서 탄성이 감소하고 경직도가 증가하게 된다. 혈압이 증가하여도 동맥경직도가 증가하며, 만성심부전, 당뇨, 고지혈증 등의 질병이나 흡연, 비만 등에 의해서도 증가한다. 동맥경직도는 맥파전도속도(PWV) 계측이 이론적으로 가장 정확하게 측정할 수 있으나 인체내 혈관구조의 복잡성과 측정부위의 거리 측정 에러로 인해 임상적의의 부여가 크지 않은 편이다. 그외에 경동맥두께를 측정하는 등 몇 가지 방법이 있으나 모두 보조적 지표로 활용할 뿐이다. 이러한 상황으로 인해 동맥경직도의 정확한 임상적의미 부여가 어려운 실정이다. 최근 본 연구실에서는 중심부혈관과 말단혈관의 맥파전도시간비를 활용한 새로운 동맥경직도 지표를 발굴하여 정상, 관상동맥부전증, 뇌졸증의 환자를 대상으로 비교한 결과 기존의 PWV보다 훨씬 우수한 구별능력을 가졌음을 확인하였고 현재 이를 씨유메디컬에 기술 이전하여 향후 심혈관계질환의 표준 스크리닝 검사법으로 정착되기를 기대하고 있다.
심박출량은 순환기지표에서 매우 중요한 의미를 지니고 있으나 일상생활에서 전문가의 도움 없이 계측하는것은 불가능하다. 현재 순환기 지표로 실생활에서 계측이 가능한 지표는 심박수와 혈압뿐이다. 이러한 지표만으로는 인체순환기 기능적 측면을 면밀히 제시하기에는 크게 부족하다. 이러한 이유로 인체순환기기능을 탐색하는 연구에 많은 제약이 존재하게 된다. 심박출량을 알 수 있다면 각 개개인의 많은 생리적 기능들 (혈류저항, 산소운반능, 산소소모량, 산소추출률, 열생산, 체온조절, 대사율)과 관련된 다양한 측면을 탐색할 수 있게된다. 본 연구실에서는 심박출량 추정법에 관하여는 이번에 연구피험자의 체표면에서 검출한 심장박동에 의한 맥파(pulse wave)신호로부터 심장박동을 모사하는 입력함수 및 맥파를 출력으로 하는 전달함수(transfer function)를 산출하여 그 시정수(time constant)를 산출하고 그 시정수를 이용하여 심박출량을 산출하는 과정의 심박출량 추정 방법에 대한 특허를 2018년 9월에 등록하였다.
이 특허는 비침습적(non-invasive)으로 심박출량을 추정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 맥파(pulse wave)를 이용하여 심박출량을 추정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 현재는 이러한 지표를 실제 상황에 적용하기 위한 기본알고리듬을 개발 중에 있다.
본 연구실에서 위와 같은 지표들의 발굴하는 목적은 지금까지 특별한 기구 또는 전문가의 도움없이는 확인하기 어려웠던 각 개개인의 생리적 기능들을 일상 생활에서 쉽게 파악하여 각각 맞춤형 건강관리 (생활관리)에 활용하게 하기 위함이다. 또한 새로운 의미있는 지표들을 발굴하여 이를 계측할 수 있는 기기를 개발하여 기존의 의료기기 시장과 다른 영역의 새로운 기기시장을 창출하고자 한다. 가까운 미래에 현재 스마트폰에 올라가 있는 몇몇 별 의미 없는 건강관리 앱들을 좀 더 의미있는 지표들을 활용하여 각 개인의 생리시스템을 구축하여 관리할 수 있는 앱으로 발전시키고자 한다.
서울 아산병원 생리학교실 임채헌 교수님 연구팀에서는 학생들을 위한 교육 시뮬레이션 개발을 하는 EDISON 프로젝트, 헬스케어 지표 및 장비 개발, 한의학의 과학화 프로젝트 그리고 미토콘드리아 연구 등 다방면의 연구 분야에서 연구를 진행하고 있다. 그 중 대표적인 연구주제로 맥파(pulse wave)신호 연구를 들 수 있는데, 맥파에서 파생된 생리지표로 맥파전도시간비(PWTTR: Pulse Wave Transit Time Ratio) 및 맥파를 이용한 심박출량 추정 방법을 소개한다.