Interconnectable Dynamic Compression Bioreactors for Combinatorial Screening of Cell Mechanobiology in Three Dimensions

연구 배경

세포는 기질 강성과 외부 기계적 하중을 기계적 신호전달로 감지하지만, 중·고속 스크리닝 플랫폼은 대부분 정적 조건의 2차원 배양을 다루어 왔습니다. 하이드로젤 배열에 압축이나 인장을 가하는 3차원 플랫폼도 보고되었으나(예: 폴리에틸렌글리콜(PEG) 하이드로젤에 압축을 가한 Moraes 등의 미세유체 플랫폼), 배양액을 연속 관류하면서 동적 압축 변형과 생체재료 조성의 조합을 스크리닝한 사례는 없었습니다.

설계와 접근

각 바이오리액터는 폴리디메틸실록산(PDMS) 질소 압력 챔버, 얇은 막 위에 4 × 4 기둥 배열을 둔 PDMS 배지 챔버, 메타크릴레이트 처리 유리 덮개로 구성됩니다. 세포를 섞은 GelMA 전구체를 배지 챔버에 주입하고 마스크로 기둥 위에만 광가교해, 각 하이드로젤이 기둥과 유리 사이에 놓이도록 했습니다. 가교되지 않은 전구체는 회수해 다음 장치에 다시 주입할 수 있습니다. 가스 압력이 막을 휘게 해 기둥을 밀어 올리며, 각 하이드로젤의 압축 변형은 아래 압력 챔버의 직경과 인가 압력으로 정해집니다. 서로 다른 GelMA 농도를 담은 여러 바이오리액터를 공용 배지 저장조, 연동 펌프, 가스 압력 모듈에 연결해 변형과 기질 조성을 동시에 바꾸어 비교합니다.

평가 방법

14~42 kPa 압력과 5~8 mm 챔버 직경에서 기둥 변위를 측정해 유한요소 모의계산과 비교했고, 30,000회 반복 구동 안정성을 확인했습니다. 5·7.5·10% GelMA의 압축 물성을 측정하고 하이드로젤 내부 변형 분포를 모의계산했습니다. 건강한 공여자 골수에서 얻은 hMSC를 봉입해 100 μL/min으로 관류하면서 0.3 Hz(압축 1.5초, 이완 1.5초), 공칭 변형 0·10·27·42%로 압축했습니다. 생존율(Live/Dead, 7일, 5% GelMA)과 세포 면적·종횡비(5일, 연속 압축)를 측정했습니다. 골분화는 1 × 10^7 cells/mL 밀도에서 하루 3시간 압축하며 알칼리성 인산분해효소(ALP) 활성, Runt 관련 전사인자 2(Runx2) 발현, 오스테오칼신(OCN)·오스테오폰틴(OPN) 염색, 칼슘 침착으로 21일까지 평가했습니다.

연구 내용과 주요 결과

압축 변형은 인가 압력과 챔버 직경이 클수록 커졌고 측정값은 모의계산과 잘 일치했으며, 기둥 변위는 30,000회 반복 동안 안정적이었습니다. 장치 변수와 압력을 바꾸면 변위를 0에서 약 90%까지 설정할 수 있었습니다. 450 μm 막과 14 kPa 조건에서 5~8 mm 챔버는 기둥을 0.15 ± 0.03~0.63 ± 0.12 mm 움직여 하이드로젤을 10.5 ± 1.8~42 ± 8.1% 압축했습니다. 5·7.5·10% GelMA의 압축 탄성률은 5·19·29 kPa였고 하중 제거 후 두께가 완전히 회복되었습니다. 하이드로젤을 넣으면 공칭 42% 변형이 38%로 줄었지만 모든 조건에서 차이는 6% 미만으로 유의하지 않았고, 모의계산에서 변형은 기둥 쪽에서 가장 크고 유리 쪽에서 가장 작았습니다.

7일 동안 모든 압축 조건에서 생존율은 80%를 넘었고, 27%와 42% 변형에서는 5일 이후 소폭 감소했습니다. 압축이 없을 때 GelMA 농도가 높을수록 세포 면적과 종횡비가 감소했으며, 평균 기공 크기는 10% GelMA 1.91 ± 0.81 μm, 5% GelMA 18.24 ± 4.52 μm였습니다. 모든 농도에서 압축 변형이 클수록 세포 퍼짐이 증가했고 5% GelMA에서 가장 뚜렷했으며, 이 조건에서 42% 반복 변형은 세포 퍼짐을 크게 늘렸습니다.

7일 예비 스크리닝에서 ALP 활성은 5% GelMA에서 변형과 함께 증가했으나 7.5%와 10% GelMA에서는 압축의 유의한 효과가 없었습니다. 5% GelMA에서 7일째 Runx2 발현은 42% 변형 군이 0·10·27% 군보다 유의하게 높았고, ALP 활성은 27%(7일)와 42%(7일, 21일)에서 유의하게 증가했으며, 21일째 OCN·OPN·칼슘 염색은 42% 군이 0% 군보다 진했습니다. 21일째 칼슘 침착은 42% 군이 다른 모든 군보다 유의하게 많았고 낮은 변형 군 사이에는 유의한 차이가 없었습니다. DNA 함량은 각 군에서 7일째에서 21일째까지 36~42% 줄었으며 변형 조건 사이의 차이는 없었습니다.

남은 과제

모의계산에는 세포가 포함되지 않아 실제 변형은 예측 분포와 다를 수 있습니다. GelMA에는 세포 부착 부위가 있어 거대단량체 농도를 바꾸면 부착성과 기공 크기가 함께 변하며, 저자들은 메타크릴화 정도가 다른 GelMA로 두 효과를 분리하는 후속 연구를 제안했습니다. 장기 배양 중 배지 흐름으로 일부 세포가 하이드로젤 밖으로 빠져나갔을 가능성도 제시되었습니다. 저자들은 배양 환경을 감시하기 위한 비침습 실시간 O2·pH·CO2 센서의 필요성도 언급했습니다. 생존율 시료 수는 그림 4 설명에서 N = 4, 방법 절에서 N = 5로 표기되어 있습니다.

다른 연구와의 연결

관련 연구인 기질 탄성 연구는 기판 강성만 바꾸어 중간엽 줄기세포의 분화 방향을 조절한 반면, 이 플랫폼은 3차원 배양에서 GelMA 농도와 동적 압축 변형을 함께 바꿉니다.