오가노이드는 인간유래 줄기세포를 기반으로 만든 3차원 세포집합체로, 인체조직을 정확히 모사하기 때문에 질병모델 개발이나 약물 평가는 물론 개인 맞춤형 의학에서도 높은 활용성을 갖는다.
그러나 오가노이드로 정밀한 생물학 연구를 수행하려면 오가노이드의 상태를 보존하면서 기능을 실시간 모니터링하는 기술이 필요하다.
이는 매우 작은 크기의 오가노이드와 미세전극을 접촉, 전기생리신호를 정확하게 측정하는 기술이 선행돼야 한다.
비침습적 오가노이드 전기생리신호 측정
KAIST 전기및전자공학부 이현주 교수팀이 한국생명공학연구원(이하 생명연) 손미영·이미옥 박사 연구팀과 공동으로 오가노이드의 비침습적 전기생리신호 측정을 위한 '고신축성 돌출형 미세전극 어레이 플랫폼'을 개발했다.
기존 오가노이드 관련 연구는 유전자 분석을 위주로 진행됐지만, 정밀한 생물학 연구를 위해서는 오가노이드의 3차원 형태와 상태를 보존하며 그 기능을 실시간으로 모니터링 해야 한다.
특히 전기신호가 발생하는 심장, 뇌 등의 오가노이드에서 전기생리신호를 측정하려면 오가노이드의 제작방식에 따라 크기가 수백 ㎛~㎜로 다양하고 형태도 불규칙하기 때문에 오가노이드를 파괴하지 않고 외부 표면에 전극을 밀착해 측정하는 것은 매우 어렵다.
공동연구팀은 오가노이드 크기와 형태에 맞춰 스스로 늘어나 표면에 밀착할 수 있는 고신축성 돌출형 미세전극 어레이를 개발했다. 또 이를 활용해 오가노이드에서 발생하는 전기생리신호의 실시간 변화를 측정하고 평가하는 데 성공했다.
공동연구팀이 개발한 ‘미소 전자기계시스템(MEMS)’ 공정은 서펜타인구조 기반의 고신축성 돌출형 미세전극으로, 오가노이드에 전극을 강하게 밀착시켜 손상 없이 안정적으로 전기생리신호를 측정할 수 있다.
이현주 KAIST 교수는 “다양한 크기의 오가노이드에 활용 가능한 고신축성 돌출형 미세전극 어레이를 개발해 실시간 오가노이드의 상태를 평가할 수 있다”며 “이 기술은 신약 개발 시 실험동물을 대체하거나 재생 치료제로써 사용하는 오가노이드 품질평가에 바로 적용할 수 있을 것”이라고 설명했다.
이번 연구결과는 KAIST 전기및전자공학부 김기업 박사과정과 생명연 이영선 박사과정이 제1저자로 참여했고, 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’지난 12월 15일 자 온라인에 게재됐다. (논문명: Highly Stretchable 3D Microelectrode Array for Noninvasive Functional Evaluation of Cardiac Spheroids and Midbrain Organoids)
한편, 이번 연구는 산업통상자원부 3D생체조직칩기반신약개발플랫폼구축기술개발사업 및 과학기술정보통신부 국산연구장비기술경쟁력강화사업, 바이오의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
