인체의 다양한 조직을 작은 칩 위에 옮겨놓을 수 있는 기술 인체장기칩(Human Organs-on-Chips)

PATENT SQUARE Offical Writer
2021-03-24
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2015년 영국 디자인 뮤지엄에서 선정된 도날드 잉버와 허동은씨가 디자인 한 "인체 장기칩"을 소개합니다.


인체 장기칩은 폐와 신장 등 인체의 다양한 조직을 작은 칩 위에 옮겨놓을 수 있는 기술로, 인간을 위해 목숨을 바쳤던 실험동물을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

< Human Organs-on-Chips © Donald Ingber and Dongeun Huh >


일반적으로 지금까지 실험실에서는 인간을 대신해 신약 개발 과정에서 동물들이 희생되어 왔다. 동물을 대상으로 하는 한 실험이 효과가 좋으면 사람을 대상으로 한 임상이 시작된다. 하지만 그 효과가 똑같이 나타나는 확률은 무척 낮다. 신약 개발의 성공 확률은 매우 낮은데, 그 이유는 사람에게는 예측하기 어려운 동물을 대상으로 실험을 하기 때문이다. 때문에 인체와 최대한 유사한 조직을 만들어 실험하는 것이 중요하다.


그리하여 인체장기칩이 개발되었다. 이 칩의 아이디어는 동물 실험을 대체하는 것이다. 인간의 세포를 깔아 놓는 마이크로 칩을 만들어 인체 조직 수준의 기능을 실현하는 거다. 연구팀은 구멍이 뚫린 얇은 막을 만들어, 위에는 폐 세포를 아래에는 모세 혈관을 심었다. 폐 세포 쪽에는 공기가 통하도록, 모세혈관 쪽에는 혈액이 흐르도록 만들어 마치 폐가 숨 쉬는 것처럼 작용하도록 했다. 이 칩은 생물학적 연구에 적합한 최고의 도구이다. 특정 약에 대한 세포와 조직의 반응을 보다 정밀하게 알아볼 수 있다. 연구팀은 폐뿐만 아니라 신장과 골수, 심장도 칩 위에 올리는 데 성공했다고 밝혔다. 이 칩이 현재의 동물실험을 대체한다면, 신약개발의 비용과 기간을 크게 단축할 수 있을 뿐 아니라 실험동물의 희생도 크게 줄어들 것으로 연구팀은 전망했다.

< Human Organs-on-Chips © Donald Ingber and Dongeun Huh >


윤리는 차치하고라도 동물실험을 멈춰야할 과학적 이유가 넘쳐난다. 그중 가장 핵심은 동물실험의 효과가 다른 실험과 동등하거나 오히려 비교열위에 있다는 점이다. 동물실험을 하지 않는 것이 과학적 결실 측면에서 더 유리할 수 있다.


또한 가장 많은 실험동물을 사용하는 신약개발 분야의 경우에도 동물실험은 신약 후보물질을 인간에게 사용했을 때의 치료효과를 제대로 알려주지 못한다는 한계가 있다. 그래서 근래에는 인간의 질병을 가진 유전자 조작 쥐를 많이 활용하지만 사람과 쥐는 유전자의 작동메커니즘이 다르다. 이외에도 많은 이유 때문에 동물실험을 통과한 신약물질 중 무려 90%가 임상시험에서 퇴출된다.


인간세포로 이뤄진 얇은 막, 혈액과 유사한 액체를 펌프질하는 마이크로칩으로 이뤄진 엄지손가락 크기의 기기인 인공장기칩은 지금까지 장(腸)의 수축을 모방한 칩, 폐처럼 공기주머니와 모세혈관 세포를 갖추고 산소와 이산화탄소를 교환하는 칩이 개발돼 있다. 폐칩(lung-on-a-chip)의 경우 질병에 감염되거나 질병 상황을 똑같이 모사한다. 심지어 폐부종 등 화학요법 부작용으로 유발된 합병증에도 걸리게 할 수 있다. 현재 연구팀은 골수와 심장, 뇌를 칩으로 만들기 위해 추가 연구를 진행 중이다.


물론 이러한 변화와는 상관없이 동물실험은 앞으로도 꽤 오랫동안 과학적 필요성을 인정받을 것이다. 안구나 뇌처럼 아직은 어떤 방법으로도 완벽하게 재현할 수 없는 것들이 있는 탓이다. 하지만 우리에게 더 다양한 선택지가 있다면, 그만큼 더 나은 결과를 얻을 수 있음은 자명한 귀결이다. (자료인용 : 특허청 블로그, 특허청 디자인맵)

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