국제암연구소 발표에 의하면 위암은 동양인에게 많이 나타나는 질병 중 하나로 2020년 한국인의 위암 발생률은 세계에서 세 번째로 높다. 최근 연세대 · POSTECH(포항공과대학교) 공동 연구팀은 3D 바이오 프린팅 기술로 위암과 세포를 둘러싼 생체 환경을 완벽하게 구현함으로써 임상 전 단계에서 환자의 항암제 반응을 예측하는 데 성공하며, 위암 정밀 맞춤 치료 연구의 새로운 이정표를 제시하였다.
연세대 외과학교실 정재호 교수 · 의생명과학부 김정민 박사, POSTECH 기계공학과 · IT융합공학과 · 생명과학과 · 융합대학원 장진아 교수, 기계공학과 조동우 교수, 시스템생명공학부 통합과정 김지수 공동 연구팀은 위암 환자 유래 암오가노이드(Patient derived organoids, PDO)1)를 활용하여 맞춤형 약물 치료를 위한 혈관화된 위암 모델을 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 게재됐다.
임상시험은 신약이나 새로운 치료법의 효과를 검증하기 위해 사람을 대상으로 진행한다. 임상 전 단계에서 환자 반응을 예측하면 임상시험에 참여할 환자를 선별하고, 예상치 못한 부작용을 줄일 수 있으며, 그로 인해 성공률을 높일 수 있다. 하지만 현재 기술로는 체외에서 위암의 병리학적 특징과 종양을 둘러싼 복잡한 환경 등을 모사하는 데 한계가 있다.
연구팀은 위암 환자에서 유래한 오가노이드와 3D 바이오 프린팅 기술로 실제 위암 혈관 구조와 환경을 완벽하게 재현한 VOM(vascularized organoid model)2)을 제작했다. 이 모델은 콜라겐 등 위 특이적인 기질 단백질이 풍부한 탈세포화 세포외기질(stomach-derived decellularized Extracellular Matrix, st-dECM)3)을 사용해 90% 이상의 높은 세포 생존률을 보였으며, 실제 위암과 높은 유사도를 보였다.
이를 바탕으로 연구팀은 환자별 VOM을 제작해 약물 실험을 진행했다. 실험 결과, 동일한 약물을 처리하더라도 환자 모델마다 반응이 다르게 나타났으며, 이는 실제 임상시험 결과와 일치했다. 환자의 미세한 위암 혈관 구조와 생체 조건을 재현한 VOM으로 임상 전 단계에서 환자의 반응을 예측할 수 있게 된 것이다.
또, VOM은 혈관 내피 성장 인자 수용체(VEGFR2)에 대한 임상 반응도 정확하게 재현했다. 현재 임상에서 사용하고 있는 표적은 사람 상피세포 증식 인자 수용체(HER2)가 유일해 이 표적에 반응하지 않는 경우 효과가 없었는데, 이번 연구를 통해 보다 다양한 치료법 개발이 가능해진 것이다.
연세대 정재호 교수는 “고도화된 생체모델 플랫폼을 활용해 다양한 임상시험을 실험실 수준에서 시뮬레이션함으로써 암의 기전 연구뿐 아니라 항암 치료제에 대한 효과를 미리 판단해 암 정밀 의료 실현에 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것”이라고 평가했다. 또, POSTECH 장진아 교수는 “환자 맞춤형 암 치료를 위한 유망한 플랫폼을 개발했다”며, “이 플랫폼은 약물이 혈관을 통해 작용하는 다른 유형의 암에도 적용할 수 있는 잠재력이 있다”는 말을 전했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 대학중점연구소사업과 범부처 재생의료 기술개발사업, 산업통산자원부 스마트특성화기반구축사업, 한국연구재단 집단연구지원사업, 보건복지부 국립암센터의 지원으로 진행됐다.
