Recent Advances in High-throughput Platforms with Engineered Biomaterial Microarrays for Screening of Cell and Tissue Behavior

연구 배경

세포의 부착, 증식, 분화는 세포외기질(ECM) 조성과 가용성 인자 같은 생화학적 신호와 표면 형상, 강성, 외부의 기계적·전기적 입력 같은 생물물리적 신호에 따라 달라집니다. 기존 체외 선별법은 정확성, 재사용성, 노동력, 범용성에 한계가 있어 이 요인들의 수많은 조합을 다루기 어렵습니다. 고처리량 선별은 적은 재료와 세포로 한 기기에서 여러 조건을 시험하지만, 2차원 미세배열은 체내 세포의 3차원 환경을 반영하지 못하고 세포 거동을 시간에 따라 연속 측정하려면 바이오센서 통합이 필요합니다.

종설의 구성

종설은 세 가지 접근으로 구성됩니다. 첫째는 접촉 인쇄, 소프트 리소그래피, 초소수성-친수성 젖음 패터닝으로 만든 2차원·3차원 생체재료 미세배열과 미세유체 농도구배 생성기를 이용한 생화학적 미세환경 선별입니다. 둘째는 마이크로·나노 표면 형상, 기판 강성과 경계 형상, 능동적인 기계적·전기적 자극을 다루는 생물물리적 미세환경 선별입니다. 셋째는 연속 측정을 위해 광학·전기화학 바이오센서를 미세유체 및 장기칩 플랫폼과 통합하는 방법입니다.

종설이 다룬 범위

종설은 각 접근마다 대표 플랫폼, 시험한 세포·조직, 보고된 측정 지표를 소개합니다. 인간 배아줄기세포(hESC) 자가재생을 위해 22종 아크릴레이트 단량체로 만든 496개 조성의 고분자 미세배열, 2,176개 표면 형상의 Topochip, 96웰·384웰 플레이트의 폴리아크릴아마이드 강성 배열, 세포 함유 하이드로젤용 압축·자기 신장 배열, pH·산소와 알부민, 글루타티온 S-전달효소 알파(GST-α), 크레아틴 키나아제 MB(CK-MB) 같은 분비 바이오마커를 측정하는 센서가 예로 제시됩니다. 그림 1~5는 인용 연구의 그림을 재수록한 것입니다.

종설의 주요 정리 내용

생화학적 선별에서는 접촉 인쇄한 ECM·고분자 배열을 소개하며, 이 중 아크릴레이트 함량이 높고 젖음성이 중간인 고분자에서 hESC 콜로니 형성이 증가했습니다. 젖음 패터닝 배열의 예로는 섬유아세포와 전조골세포를 24가지 하이드로젤 조성에서 시험한 연구가 있습니다. 미세유체 플랫폼은 배양 챔버 안에 인터루킨-1β를 0.005~0.1 ng/mL로 분포시키는 것처럼 공간적인 화학 농도구배를 만들었고, 농도구배를 공급하는 행잉드롭 배열은 60시간 동안 스페로이드 성장을 추적했습니다.

생물물리적 선별에서는 T세포 플랫폼이 트렌치 폭 200 nm, 격자 주기 2.3 μm 초과의 표면에서 인터루킨-2 생산 증가를, 폭 100 nm, 주기 0.5 μm 미만에서 감소를 보였습니다. 폴리아크릴아마이드 배열은 0.3~55 kPa 범위로 7종 세포에 쓰였고, 11가지 모양의 미세패턴 하이드로젤에서는 나선형이 암줄기세포 표지자 발현을 가장 높였으며 기질 강성의 영향은 유의하지 않았습니다. 기계적 플랫폼은 0%~26%의 압축 변형이나 0~60%의 자기 신장 변형을 가했으며, 종설은 이 플랫폼들이 기계적 입력의 조합을 소수만 다룬다고 지적합니다. 서정목 교수 등의 연결형 생물반응기는 기체 압력으로 움직이는 미세기둥으로 GelMA 농도와 동적 압축을 함께 선별하는 예로 소개됩니다. 전기 자극의 예로는 1 Hz, 약 270 nA의 펄스를 내는 마찰전기 발전기와 1 V, 1.25 Hz 자극으로 3차원 심장 조직의 활동전위 전파를 조절한 유연 나노전자소자가 있습니다.

센서 통합에서는 페놀 레드 흡광으로 pH를, 형광체 소광으로 산소를 읽는 광학 모듈, ELISA의 0.2 ng/mL보다 낮은 0.03 ng/mL의 검출 한계를 보인 비드 기반 전기화학 면역센서, 독소루비신에 노출된 심장칩에서 CK-MB를 검출한 압타머 센서를 소개합니다. 재생형 전기화학 센서는 전극 전류를 제작 직후의 100%에 가깝게 회복했고, 다중 센서 간-심장 플랫폼은 약물 노출 동안 최대 5일간 알부민, GST-α, CK-MB를 측정했습니다. 최대 20개 전기화학 셀을 개별 구동하는 전극 내장 액적 미세배열과 패턴화한 PDMS 기판을 진공으로 국소 변형해 액적을 옮기는 단일 액적 비색 분석 플랫폼은 고처리량 감지로 가는 경로로 제시됩니다.

남은 과제

종설은 세포 거동의 선별과 분석을 동시에 수행하는 것이 여전히 과제이며, 일반적인 배양·분석법과 호환되고 현장 측정이 가능한 표준화된 플랫폼이 필요하다고 밝힙니다. 재생한 전극은 제한된 횟수만 쓸 수 있고, 장기칩의 PDMS는 약물을 흡착·흡수할 수 있으며, 다중 센서 플랫폼은 크고 복잡하다고 지적합니다. 미세유체를 통합한 고처리량 바이오센서는 아직 구현되지 않았고, 이러한 센서로 동적 미세환경에서 세포 거동을 선별하는 연구도 이루어지지 않았다고 정리합니다.

다른 연구와의 연결

이 종설이 인용한 Mei 등의 연구는 인간 다능성 줄기세포 배양용 합성 고분자 기판을 선별하고 젖음성, 표면 형상, 표면 화학, 탄성률을 콜로니 형성과 연결했습니다. 종설은 이러한 2차원 재료 선별을 3차원, 생물물리적, 센서 통합 플랫폼과 함께 정리합니다.