Lubricant‐Coated Organ‐on‐a‐Chip for Enhanced Precision in Preclinical Drug Testing

연구 배경

장기칩(organ-on-a-chip)은 흐름 조건에서 세포 간, 조직 간 계면을 재현하며 사람에 가까운 전임상 모델로 개발되고 있습니다. PDMS는 이러한 소자에 가장 널리 쓰이는 재료이지만 다공성 때문에 100–1000 Da의 작은 분자를 흡수하고, 시판 약물의 60% 이상이 소수성 저분자이므로 칩 안의 실제 약물 노출이 투여 농도와 달라질 수 있습니다. 열가소성 수지 칩은 흡수에 강하지만 단단하고 복잡한 구조로 접합하기 어려우며, PDMS에 첨가제를 섞거나 표면을 개질하는 방법은 역학 특성을 바꾸거나 시간이 지나면 친수성을 잃을 수 있습니다. PFPE 윤활 코팅은 PDMS 소자의 흡수를 막는 데 효과가 있었지만, 코팅 용액으로 채널 전체를 채우면 세포 배양막까지 코팅되는 문제가 있었습니다.

설계와 접근

PreD 칩은 위·아래 PDMS 채널 사이에 다공성 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 막(기공 2.0 μm)을 끼워 쌓은 구조입니다. 산소 플라즈마 처리 후 PDMS 부품은 3-아미노프로필트리에톡시실란(APTES)으로 실란화하고 말단에 카복실기를 가진 과불화고분자(PFP)를 코팅하며, PET 막은 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(GPTES)으로 처리합니다. 170 °C 열경화로 APTES와 PFP 사이에는 아마이드 결합이, APTES와 GPTES 처리 막 사이에는 β-하이드록시아민 결합이 형성되며, 이후 PFP 층을 PFPE 윤활제(Krytox GPL 101)로 팽윤시킵니다. 막에는 ECM 단백질을 코팅해, 윤활 처리한 채널 벽은 약물과 단백질을 밀어내고 세포는 막에 부착하도록 했습니다.

평가 방법

흡수 특성은 로다민 B(479 Da)와, 세포가 없는 채널에 30 μL hr−1로 흘린 400–1000 μg mL−1 덱사메타손(DEX, 392 Da)으로 평가했으며, 유입·유출 농도는 고성능 액체크로마토그래피로 측정했습니다. 코팅은 X선 광전자분광, 접합 인장 시험, 물·소태아혈청·혈액·에틸렌글리콜·디메틸설폭사이드 접촉각, 혈액과 혈장 단백질 오염 시험, 톨루엔 노출, 50–200 μL hr−1 PBS 흐름에서의 윤활제 잔존율, 50 μm PDMS 필름의 산소·이산화탄소 투과도로 평가했습니다. Caco-2 세포로 장 모델을 만들어 100–500 μg mL−1 DEX에 하루 노출하는 독성 시험을 수행했고, 사람 유도만능줄기세포 유래 뇌 내피세포(iPS-BEC), 일차 사람 혈관주위세포와 성상세포로 혈액뇌장벽(BBB) 모델을 만들어 도파민(153 Da)과 레보도파(197 Da) 투과 시험을 수행했습니다. 장 모델과 BBB 모델 시험은 각각 기존 PDMS 칩과 비교했습니다.

연구 내용과 주요 결과

로다민 B는 기존 PDMS 채널로 시간에 따라 확산했으나 PreD 칩은 1일 흐름 후에도 흡수를 막았습니다. 세포가 없는 채널에서 PreD 칩은 400–1000 μg mL−1 DEX에서 뚜렷한 손실이 없었던 반면, 기존 칩은 모든 농도에서 유출 농도가 약 30% 감소했습니다. 윤활 처리한 PDMS는 표면장력이 다른 액체에서 비슷한 접촉각을 보였고, 혈액 방울이 잔여물 없이 미끄러졌으며, 알부민과 피브리노겐 흡착이 유의하게 낮았고 톨루엔에 팽윤되지 않았습니다. 37 °C PBS에서 15일 후에도 물 접촉각이 비슷하게 유지되었고, PBS를 9일간 흘린 후에도 윤활제의 80% 이상이 남았으며, 칩 10개당 8–9개가 성공적으로 제작되었습니다.

PFP 코팅은 PDMS 필름의 산소·이산화탄소 투과도를 약 70%로 낮췄고, 윤활제 팽윤 후 투과도는 약간 개선되었습니다. 본문에는 윤활제 팽윤에 따른 투과도 감소가 약 60%라는 서술도 함께 있습니다. 30 μL hr−1에서 7일간 배양한 Caco-2 세포의 저산소 관련 유전자(HIF1A, VEGF, SOX2, CD42) 발현은 기존 칩과 유의한 차이가 없었습니다. 장 상피는 크로모그라닌 A와 빌린을 발현하는 융모 유사 구조를 형성했고, 융모 높이는 PreD 칩 123.7 ± 11.7 μm, 기존 칩 127.3 ± 18.7 μm였습니다. CCK-8 생존율도 비슷했고, 경상피 전기저항(TEER)은 기존 칩과 마찬가지로 7일 동안 증가했습니다.

DEX에 하루 노출한 뒤 IC50은 PreD 칩에서 약 350 ± 19.7 μg mL−1, 기존 칩에서 400 ± 23.8 μg mL−1였으며, 저자들은 이를 독성 민감도 약 12.5% 증가로 설명합니다. 정적 트랜스웰 장 모델에서는 500 μg mL−1에서도 IC50에 도달하지 않았습니다. 300 μg mL−1에서 PreD 칩의 융모 높이는 약간 줄었으나 통계적으로 유의하지 않았고, 400 μg mL−1에서는 PreD 칩 48 ± 11.3 μm, 기존 칩 78.3 ± 9.3 μm였습니다.

BBB 모델에서 장벽 기능과 세포 생존율은 기존 칩과 유의한 차이가 없었고, 두 칩의 iPS-BEC 모두 ZO-1과 Claudin-5를 포함한 밀착연접을 형성하고 Occludin과 GLUT-1을 발현했습니다. 세포가 없는 칩에서 PreD 칩의 회수율은 도파민 약 94.9%, 레보도파 98.6%로, 기존 칩의 83.2%, 89.6%보다 높았습니다(n = 4). BBB 투과도는 도파민의 경우 두 칩에서 비슷했으나 레보도파는 PreD 칩에서 유의하게 높아, BBB를 통과하지 못하는 약물과 통과하는 약물의 차이가 더 분명하게 나타났습니다.

남은 과제

저자들은 PreD 칩의 임상적 타당성을 평가하려면 조직 장벽에서의 반응과 약물 수송을 포함해 더 다양한 약물로 종합적인 검증이 필요하고, 간세포처럼 산소 요구량이 높은 세포에는 윤활 코팅과 관류 조건의 추가 최적화가 필요할 수 있다고 밝혔습니다.

다른 연구와의 연결

Toepke와 Beebe는 소수성 저분자가 PDMS로 분배되어 미세유체 실험의 용액 농도를 바꾸는 문제를 설명했습니다. PreD 칩은 채널 벽에만 윤활제를 코팅하고 세포는 별도의 ECM 코팅 막에서 배양하는 방식으로 이 문제에 대응합니다.