인간의 장은 식이로부터 영양분을 추출하는 동시에 외부 환경에 대한 가장 큰 장벽을 형성한다. 또한 장은 장내 미생물, 면역계, 장신경계 및 기타 기관과의 복잡한 상호작용을 통해 항상성을 적극적으로 유지한다. 이러한 상호작용은 소화 건강에 영향을 미칠 뿐 아니라, 전신 건강과 질병에서 핵심적인 역할을 수행한다. 경구로 투여된 약물을 흡수하고 대사하는 장의 주요 기능을 고려할 때, 생체 내에서의 장(intestine)을 정확히 모사할 수 있는 전임상 체외(in vitro) 모델 시스템의 개발에 상당한 관심이 집중되고 있다. gut-on-a-chip 시스템은 생체 내 조직의 생리학적 양상을 모사할 수 있고, 다른 기관과의 통합 및 조합을 가능하게 하는 확장성을 지닌다는 점에서, 시험 및 선별을 위한 플랫폼으로서 큰 잠재력을 갖는다. 본 총설은 보다 정확한 전임상 모델을 구축하기 위해 반드시 포함되어야 하는 인간 장의 핵심 생리학적 특징을 규명하고, 생리학적으로 더 관련성 높은 전임상 모델 시스템을 구축하기 위한 gut-on-a-chip 시스템 및 경쟁 기술의 최근 발전을 조망하는 것을 목적으로 한다. 또한 장과 함께 다기관 시스템을 구성하려는 다양한 시도, 즉 gut-organ-axis-on-a-chip 모델에 대해서도 논의한다. 생리학적 관련성을 갖는 체외 장 모델은 전임상과 임상 연구 사이의 간극을 연결하기 위한 유용한 플랫폼을 제공할 수 있다.

인간의 장은 식이로부터 영양분을 추출하는 동시에 외부 환경에 대한 가장 큰 장벽을 형성한다. 또한 장은 장내 미생물, 면역계, 장신경계 및 기타 기관과의 복잡한 상호작용을 통해 항상성을 적극적으로 유지한다. 이러한 상호작용은 소화 건강에 영향을 미칠 뿐 아니라, 전신 건강과 질병에서 핵심적인 역할을 수행한다. 경구로 투여된 약물을 흡수하고 대사하는 장의 주요 기능을 고려할 때, 생체 내에서의 장(intestine)을 정확히 모사할 수 있는 전임상 체외(in vitro) 모델 시스템의 개발에 상당한 관심이 집중되고 있다. gut-on-a-chip 시스템은 생체 내 조직의 생리학적 양상을 모사할 수 있고, 다른 기관과의 통합 및 조합을 가능하게 하는 확장성을 지닌다는 점에서, 시험 및 선별을 위한 플랫폼으로서 큰 잠재력을 갖는다. 본 총설은 보다 정확한 전임상 모델을 구축하기 위해 반드시 포함되어야 하는 인간 장의 핵심 생리학적 특징을 규명하고, 생리학적으로 더 관련성 높은 전임상 모델 시스템을 구축하기 위한 gut-on-a-chip 시스템 및 경쟁 기술의 최근 발전을 조망하는 것을 목적으로 한다. 또한 장과 함께 다기관 시스템을 구성하려는 다양한 시도, 즉 gut-organ-axis-on-a-chip 모델에 대해서도 논의한다. 생리학적 관련성을 갖는 체외 장 모델은 전임상과 임상 연구 사이의 간극을 연결하기 위한 유용한 플랫폼을 제공할 수 있다.

대기오염은 인지 장애, 신경염증, 혈액–뇌 장벽의 붕괴를 포함한 신경퇴행을 유발한다. 대기오염 매개 신경퇴행의 기전은 세포 간 상호작용에 대한 제한된 이해로 인해 아직 완전히 규명되지 않았다. 본 연구에서는 뉴런, 교세포, 뇌 내피세포(뇌 혈관 내피세포; bECs; 신경-교세포-혈관, NGV)를 포함하는 ‘brain-on-a-chip’ 플랫폼을 제시하고, 세포 간 상호작용에 특히 초점을 두어 디젤 배기가스 입자(diesel exhaust particle, DEP) 유도 신경퇴행을 평가하였다. NGV 모델에서 DEP 노출은 아밀로이드 베타 축적, 타우 인산화, 과산화수소(hydrogen peroxide, H 2 O 2 )/활성산소종(reactive oxygen species, ROS) 생성, 뉴런 세포 사멸을 포함하는 알츠하이머병과 유사한 징후를 나타냈다. bEC가 분비하는 과립구-대식세포 콜로니 자극 인자(granulocyte-macrophage colony-stimulating factor, GM-CSF)는 미세아교세포의 활성화를 자극하고 미세아교세포에서 H 2 O 2 /ROS의 과도한 생성을 유도하여, bEC-미세아교세포-뉴런이 신경퇴행의 연쇄(cascade)임을 시사한다. GM-CSF 중화, 미세아교세포 활성화 억제, ROS 제거를 포함하여 이 연쇄의 각 단계에서의 약리학적 억제는 NGV 모델에서 신경퇴행을 방지하였다. 따라서 대기오염 유도 신경퇴행에서의 세포 간 상호작용을 추가로 연구해야 한다.

피지는 피부 항상성을 유지하는 데 중요한 역할을 하지만, 과잉 생성은 모공 확장, 여드름 및 기타 피부과적 질환과 연관된다. 여드름은 생리적 스트레스를 유발하고 삶의 질을 저하시켜 사회적 부담에 기여한다. 2D, 조직편(explant) 기반, 및 생체 내/생체 외(in vivo/ex vivo) 시스템을 포함하는 다양한 피지선(sebaceous gland) 모델이 존재하나, 각 모델은 장기간 유지성 또는 생리적 타당성 측면에서 한계가 있다. 시험(screening)을 위한 in vitro 3D sebocyte 모델이 더 적합할 수 있음에도, 이는 섬유아세포 및 각질형성세포(keratinocytes)와 같은 핵심 피부 구성요소와의 상호작용을 재현하는 데 여전히 미흡하다. 이에 본 연구에서는 피지선을 포함하여 표피와 진피층을 모사하는 3D 피부 모델을 개발하였다. 미세유체공학(microfluidic) 기술을 이용하여 SebaSpheres로 명명된 균일한 3D 콜라겐 기반 인공 피지선이 제작되었다. 이들 SebaSpheres는 지질을 성공적으로 축적하고 분화 표지자인 Blimp-1을 발현하였다. SebaSpheres는 섬유아세포로 채워진 마이크로웰(microwell) 형상의 진피층에 통합된 뒤, 피부 모델의 표피를 형성하기 위해 각질형성세포(HaCaT)를 추가하였다. 공배양(co-culture) 동안 live/dead 이미징은 세 가지 세포 유형 모두가 생존성을 유지함을 보여주었다. 공배양 조건에서 HaCaT 세포에서 involu crin 발현이 관찰되었으며, 이는 sebocyte의 통합과의 적합성을 시사한다. 본 in vitro 피부 모델은 피지성 피부에 작용하는 여드름 관련 자극 및 화장품 성분을 평가하기 위한 향후 연구를 위한 플랫폼을 제공한다.

목적: 본 리뷰는 피부-온-어-칩(skin-on-a-chip, SoC) 및 피부-통합 멀티-오르간-온-어-칩(multi-organ-on-a-chip, MOC) 기술의 최근 발전을 개관하고, 인간 생리학을 모사함으로써 피부과 연구 및 약물 시험을 향상시킬 수 있는 잠재력을 강조한다. 현재의 개념: SoC는 역동적인 관류(dynamic perfusion)를 갖춘 미세유체 시스템에 피부 모델을 통합하여, 보다 생리적으로 타당한 피부 반응을 가능하게 한다. MOC 플랫폼은 간 또는 장과 같은 장기 모델과 피부 모델을 연계함으로써 약물 대사, 면역 반응, 염증을 포함한 전신적 상호작용의 연구를 가능하게 한다. 논의 및 결론: 이러한 마이크로생리학적 시스템은 전통적 모델에 비해 인간 생리학을 더 가깝게 재현한다. 기술적 과제는 여전히 남아 있으나, 지속적인 개발은 약물 스크리닝, 질병 모델링 및 개인 맞춤형 피부과 적용을 유의미하게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.