KAIST "약물 부작용·급성 신장 손상, 미세 칩 위에서 예측"

약물 부작용과 급성 신장 손상 등을 실험실 환경에서 정밀하게 재현할 수 있는 새로운 장치가 개발됐다.

KAIST는 기계공학과 전성윤 교수 연구팀이 기계공학과 심기동 교수팀, 분당서울대병원 김세중 교수와 약물에 따른 근육 손상이 신장 손상으로 이어지는 과정을 재현할 수 있는 '바이오 미세유체시스템(Biomicrofluidic system)'을 개발했다고 5일 밝혔다.

근육신장-온-어-칩(MKoaC) 플랫폼 구성 및 약물 반응 분석과정 도식화 자료. KAIST 제공

미세유체시스템은 미세한 칩 위에서 인체 장기 환경을 구현한 장치다. 이번 연구는 근육과 신장을 동시에 연결·분리할 수 있는 모듈형(조립형) 장기 칩으로 약물 유발 근육 손상이 신장 손상으로 이어지는 인체 장기 간 연쇄 반응을 실험실에서는 처음으로 정밀하게 재현했다는 점에서 의미를 갖는다.

먼저 공동연구팀은 인체 환경과 유사한 조건을 구현하기 위해 입체적으로 구현한 근육 조직과 근위세뇨관 상피세포(신장에서 핵심 역할을 하는 세포)를 하나의 작은 칩 위에서 연결할 구조를 개발했다.

이 시스템은 필요에 따라 장기 조직을 연결하거나 다시 분리할 수 있는 '플러그-앤-소켓' 방식의 모듈형 미세 유체 칩이다. 작은 칩 위에서 실제 사람의 장기처럼 세포와 조직을 배양하고 서로 영향을 주고받도록 설계됐다.

이 장치에서는 근육과 신장 조직을 각각 가장 적합한 조건에서 따로 배양한 후 실험에서 요구되는 시점에만 연결돼 장기 간 상호작용을 유도할 수 있다.

실험이 끝난 후에는 두 조직을 다시 분리해 각각의 변화를 독립적으로 분석할 수 있으며 손상된 근육에서 나온 독성 물질이 신장에 미치는 영향을 수치로 확인할 수 있는 점이 특징이다.

(왼쪽부터) 김재상 박사(제1 저자), 전성윤 교수. KAIST 제공

공동연구팀은 이 플랫폼을 활용해 실제 임상에서 근육 손상을 유발하는 것으로 알려진 '아토르바스타틴(고지혈증 치료제)'과 '페노피브레이트(중성지방 치료제)'를 실험에 적용했다.

이 결과 칩 위의 근육 조직에서는 근육이 힘을 내는 능력이 떨어지고 구조가 망가졌다.

또 마이오글로빈(Myoglobin·근육 세포 안에 있는 단백질로 산소를 저장하는 역할을 하며 근육이 손상되면 혈액이나 배양액으로 유출됨)과 CK-MM(Creatine Kinase-MM·근육에 많이 존재하는 효소로 근육 세포가 파괴될수록 많이 검출됨) 등 근육 손상 정도를 보여주는 물질의 수치가 증가해 횡문근융해증(약물 복용 등으로 근육이 손상되면서 그 영향이 신장 기능 저하와 급성 신부전으로 이어질 수 있는 질환)의 전형적 변화를 관찰할 수 있었다.

동시에 신장 조직에서는 정상적으로 살아 있는 세포 수가 감소하고 세포 사멸이 증가했으며 급성 신장 손상이 발생할 때 증가하는 지표인 NGAL(신장 세포가 손상될 때 빠르게 증가하는 단백질)과 KIM-1(신장 세포 중 근위세뇨관이 손상될수록 많이 나타나는 단백질)의 발현도 유의미하게 증가했다.

특히 손상된 근육에서 나온 독성 물질이 신장 손상을 단계적으로 더욱 악화시키는 연쇄적인 손상 과정까지 함께 확인할 수 있었다는 게 공동연구팀의 설명이다.

전 교수는 "이번 연구는 근육과 신장 사이에 발생하는 상호작용과 독성 반응을 실제 인체와 유사하게 분석할 수 있는 기반을 마련했다는 점에서 의미를 갖는다"며 "이를 통해 앞으로 약물 부작용을 사전에 예측하고 급성 신장 손상이 발생하는 원인을 규명, 개인별 맞춤형 약물 안전성 평가까지 확장할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과(논문)는 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리어스(Advanced Functional Materials)'에 지난해 11월 12일자로 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr