"환자별 뇌종양·혈관장벽 '칩'으로 재현…항암제 반응 예측"

환자별 뇌종양·혈관장벽 환경을 재현한 '칩'이 개발됐다. 이 칩은 항암제를 투여했을 때 환자에게서 나타나는 약물 반응을 먼저 확인할 수 있게 한다. 같은 항암제를 투여해도 뇌종양 환자에게선 다른 효과가 나타나는 점을 고려할 때, 개발된 칩은 환자별 맞춤형 치료와 신약 개발에 유용한 도구가 될 것으로 기대된다.

KAIST는 기계공학과 안송이 교수팀이 성균관대 안중호 교수팀, 분당차병원 임재준 교수, 차의과학대 강윤정 교수팀과 교모세포종 환자의 치료 반응을 예측할 '환자 맞춤형 혈액-뇌종양 장벽(Blood-Brain Tumor Barrier·BBTB) 칩'을 개발했다고 18일 밝혔다.

AI 생성 이미지. KAIST

교모세포종은 치명적 악성 뇌종양 중 하나다. 암세포가 정상 뇌 조직으로 퍼지고, 종양의 특성까지 환자마다 서로 달라 치료가 어렵다.

'혈액-뇌 장벽(혈관장벽)'도 뇌종양 치료에 걸림돌이 된다. 이 장벽은 본래 혈액 속 해로운 물질이 들어오는 것을 막는 역할을 한다. 하지만 치료에 필요한 항암제가 뇌종양에 닿는 것까지 방해하면서 치료를 어렵게 한다. 특히 교모종이 생겼을 때 종양 주변 혈관장벽의 변하는 정도와 특성이 서로 달라 같은 치료제를 사용해도 환자마다 반응이 달라질 수 있다.

교모세포종 환자의 치료 반응을 예측하기 위해 기존에는 종양의 유전자, 바이오마커가 주로 활용됐다. 하지만 환자마다 다른 종양 주변 혈관 환경과 실제 약물 반응을 파악하는 데는 한계가 따랐다.

공동연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 환자의 종양과 혈관장벽을 칩 위에 동시 구현했다. 환자에게서 얻은 교모세포종 세포와 뇌혈관 내피세포, 별아교세포를 작은 미세유체 칩 안에서 배양해 실제 종양과 정상 뇌 조직이 맞닿는 경계와 유사한 환경을 만든 것이 핵심이다.

또 혈관 주변 세포와 면역세포를 추가할 수 있도록 설계함으로써 실제 사람의 뇌종양 주변 혈관 환경을 정밀하게 재현했다.

이 같은 방식으로 서로 다른 교모세포종 환자 3명의 종양세포로 모사한 혈관장벽 칩을 제작, 교모세포종 치료에 사용되는 테모졸로마이드(TMZ)와 베바시주맙(BEV)을 적용해 환자별 치료 반응을 비교하는 실험도 거쳤다. 테모졸로마이드는 암세포 자체를 공격하는 항암제, 베바시주맙은 암이 성장하는 데 쓰일 혈관 생성을 억제하는 표적치료제다.

이 결과 칩에서 확인한 환자별 치료 반응은 실제 환자의 치료 경과와 높은 일치율을 나타냈다. 이는 유전자 정보가 비슷해도 환자의 종양 주변 혈관장벽 상태에 따라 치료 반응이 서로 달라질 수 있고, 환자 맞춤형 칩으로 이를 확인할 수 있음을 보여준다.

(상단 왼쪽부터) 성균관대 이가은 박사과정, 안중호 교수, 분당차병원 임재준 교수, 차의과학대 강윤정교수, (하단 앞줄) KAIST 류민수 박사과정, 안송이 교수, (하단 뒷줄) 강나영 석사과정, 정진우 박사과정. KAIST

공동연구팀은 칩을 신약 개발에도 활용할 수 있을 것으로 내다본다. 칩을 활용하면 실제 환자의 종양과 혈관장벽을 모사한 환경에서 신약후보 물질의 효과를 평가하고, 어떤 환자에게 효과가 나타날지를 탐색하는 전임상 평가에 활용할 수 있을 것이라는 기대다.

안 교수는 "이번 연구의 핵심은 '암세포가 이 약에 반응하는가'를 넘어 '이 환자의 종양 환경에서 이 치료가 실제 어떻게 작용하는가'를 함께 평가할 수 있다는 점"이라며 "앞으로 보다 많은 환자를 대상으로 예측 성능과 재현성을 검증한다면, 환자의 종양세포로 만든 칩에 여러 치료제를 먼저 적용, 효과가 높은 치료 전략을 선별하는 데 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 기계공학과 류민수 박사과정과 성균관대 이가은 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 최근 재료·나노 분야 국제학술지 'Small'?에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr