생체의료 전자공학은 진단, 모니터링 및 치료를 위한 고도화된 의료기기의 수요 증가로 인해 상당한 관심을 받고 있다. 3차원(3D) 프린팅, 즉 적층 제조는 이러한 고급 생체의료 기기를 개발하기 위한 매력적인 제작 방법으로 부상하였다. 다용성, 비용 효율성, 신속한 시제품 제작 능력과 같은 고유한 특징은 의료 영상 기술과 결합될 때, 높은 정밀도와 환자 맞춤형 구조를 생성할 수 있게 한다. 3D 프린팅 분야에 대한 광범위한 연구는 착용형 및 이식형 기기뿐 아니라 지지체(scaffold) 또는 플랫폼을 포함한 다양한 생체의료 기기 개발에 초점을 맞추어 왔다. 최근에는 유연성, 전도성, 신장성, 안정성 및 생체적합성으로 알려진 최첨단 전자 소재와 3D 프린팅을 통합함으로써 혁신적인 생체전자(bioelectronic)공학이 개발되었다. 본 종설에서는 3D 프린팅 기술의 최근 발전과 생체전자 소자에서의 응용을 개괄한다. 먼저, 다양한 3D 프린팅 방법과 인쇄 가능한 전자 소재를 설명하면서 각각의 장점과 한계를 강조한다. 이어서, 이러한 기술의 응용을 외과적 안내와 보철부터 건강 모니터링 장치 및 조직공학 지지체에 이르기까지 생의학 연구 전반에 걸쳐 탐색한다. 마지막으로, 본 종설에서는 3D 프린팅된 생체전자 기기의 잠재력을 충분히 활용하기 위한 현재의 과제와 향후 방향성을 논의하며, 개인맞춤형 의료를 전환하는 것을 목표로 한다.

부산대학교 기계공학부, 대한민국 부산 (Ahn SI) 조지아공과대학 기계공학부 조지 W. 우드러프 스쿨, 미국 애틀랜타, GA (Kim Y) 조지아공과대학 생체공학 및 생명과학 연구소, 미국 애틀랜타, GA (Kim Y) 조지아공과대학 생의공학부 월리스 H. 콜터 부서, 미국 애틀랜타, GA (Kim Y) 조지아공과대학 전자 및 나노기술 연구소, 미국 애틀랜타, GA (Kim Y) 교신저자: Song Ih Ahn, PhD, [email protected]; YongTae Kim, PhD, [email protected]. 2023년 4월 11일 접수 2023년 5월 25일 수정본 접수 2023년 6월 5일 승인 본 논문은 Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 4.0 Unported에 따라 배포되는 오픈 액세스 자료로서, 원저가 적절히 인용되는 한 모든 매체에서 제한 없이 사용, 배포 및 복제가 허용됩니다.

생체의료 전자공학은 진단, 모니터링 및 치료를 위한 고도화된 의료기기의 수요 증가로 인해 상당한 관심을 받고 있다. 3차원(3D) 프린팅, 즉 적층 제조는 이러한 고급 생체의료 기기를 개발하기 위한 매력적인 제작 방법으로 부상하였다. 다용성, 비용 효율성, 신속한 시제품 제작 능력과 같은 고유한 특징은 의료 영상 기술과 결합될 때, 높은 정밀도와 환자 맞춤형 구조를 생성할 수 있게 한다. 3D 프린팅 분야에 대한 광범위한 연구는 착용형 및 이식형 기기뿐 아니라 지지체(scaffold) 또는 플랫폼을 포함한 다양한 생체의료 기기 개발에 초점을 맞추어 왔다. 최근에는 유연성, 전도성, 신장성, 안정성 및 생체적합성으로 알려진 최첨단 전자 소재와 3D 프린팅을 통합함으로써 혁신적인 생체전자(bioelectronic)공학이 개발되었다. 본 종설에서는 3D 프린팅 기술의 최근 발전과 생체전자 소자에서의 응용을 개괄한다. 먼저, 다양한 3D 프린팅 방법과 인쇄 가능한 전자 소재를 설명하면서 각각의 장점과 한계를 강조한다. 이어서, 이러한 기술의 응용을 외과적 안내와 보철부터 건강 모니터링 장치 및 조직공학 지지체에 이르기까지 생의학 연구 전반에 걸쳐 탐색한다. 마지막으로, 본 종설에서는 3D 프린팅된 생체전자 기기의 잠재력을 충분히 활용하기 위한 현재의 과제와 향후 방향성을 논의하며, 개인맞춤형 의료를 전환하는 것을 목표로 한다.

부산대학교 기계공학부, 대한민국 부산 (Ahn SI) 조지아공과대학 기계공학부 조지 W. 우드러프 스쿨, 미국 애틀랜타, GA (Kim Y) 조지아공과대학 생체공학 및 생명과학 연구소, 미국 애틀랜타, GA (Kim Y) 조지아공과대학 생의공학부 월리스 H. 콜터 부서, 미국 애틀랜타, GA (Kim Y) 조지아공과대학 전자 및 나노기술 연구소, 미국 애틀랜타, GA (Kim Y) 교신저자: Song Ih Ahn, PhD, [email protected]; YongTae Kim, PhD, [email protected]. 2023년 4월 11일 접수 2023년 5월 25일 수정본 접수 2023년 6월 5일 승인 본 논문은 Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 4.0 Unported에 따라 배포되는 오픈 액세스 자료로서, 원저가 적절히 인용되는 한 모든 매체에서 제한 없이 사용, 배포 및 복제가 허용됩니다.

산화 스트레스는 다수의 만성 질환에 대한 잘 확립된 위험 요인으로, 강력한 항산화제를 효율적으로 식별할 필요성을 강조한다. 항산화 활성의 평가를 위한 기존 방법은 종종 시간이 많이 소요되고 자원 집약적이며, 일반적으로 수고가 큰 생화학적 분석법에 의존한다. 본 연구에서는 분자 구조만을 근거로 화합물의 항산화 활성을 예측하기 위한 기계 학습(ML) 알고리즘의 적용 가능성을 조사하였다. 실험적으로 결정된 항산화 활성 데이터를 보유한 1,900개를 초과하는 화합물로 구성된 데이터셋을 사용하여 Support Vector Machine (SVM), Logistic Regression (LR), XGBoost, Random Forest (RF), Deep Neural Network (DNN) 등 다섯 가지 ML 알고리즘의 성능을 평가하였다. RF와 SVM은 전체적으로 가장 우수한 성능을 보였으며, 높은 정확도(> 0.9)를 나타내고 구조적 유사성이 높은 활성 및 비활성 화합물을 효과적으로 구별하였다. BATMAN 데이터베이스의 천연물 자료를 활용한 외부 검증을 통해 RF 및 SVM 모델의 일반화 가능성이 확인되었다. 본 연구 결과는 ML 모델이 새로운 항산화 후보의 발굴을 신속화하는 강력한 도구로 기능할 수 있으며, 향후 치료 중재의 개발을 간소화할 가능성을 시사한다.

Abstract. 다형교아세포종(glioblastoma multiforme, GBM)의 고유한 특성인 종양의 이질성과 침윤성 능력은, 혈뇌종양장벽(blood-brain tumor barrier, BBTB)의 존재와 결합되어 GBM에 대한 효과적인 치료법 개발에 어려움을 제시한다. 특히 GBM의 경계부, 즉 GBM 세포가 정상 뇌 조직으로 침윤하는 부위에서는 치료에 대한 높은 저항성이 나타난다. 이 영역으로부터 종양 진행을 제어하는 데에는 어려움이 있음에도 불구하고, GBM 경계부는 여전히 반드시 연구되어야 할 핵심 영역이다. 본 연구에서는 GBM 경계부 내에서 BBTB를 모사하는 마이크로공학적 모델을 보고하며, 3차원 네트워크의 정상 성상교세포와 새로 진단된 GBM 환자로부터 분리한 GBM 세포를 통합한다. GBM 세포와 기질 세포 간의 상호작용은 혈관 투과성의 증가, 반응성 성상교세포증(reactive gliosis), 그리고 종양의 침윤성과 진행을 촉진하기 위한 성상교세포 행동의 변화를 유발한다. 우리는 환자 특이적인 종양 반응을, 칩 상의 BBTB 모델에서 기존 화학요법에 대한 반응과 임상적 결과와 비교함으로써, 이 모델이 개인화된 약물 반응을 예측할 수 있는 능력을 보여준다. 본 BBTB 모델은 종양과 정상 뇌 조직 사이의 상호작용을 검토하기 위한 개인화 도구로 활용될 수 있으며, 궁극적으로 GBM 치료를 위한 개인맞춤 의학의 스크리닝을 촉진할 수 있을 것이다.

미세생리학적 시스템 또는 오가노이드-온-어-칩(organ-on-a-chip) 기술은, 덜 통제적인 3차원(3D) 세포 응집체 모델에 비해 더 높은 재현성으로 3차원 인간 조직의 핵심 구조와 기능을 재현할 수 있으며, 동물 모델을 대체할 수 있는 고도화된 약물 독성 및 효능 시험 플랫폼으로 발전할 큰 잠재력을 제공한다. 그러나 이러한 오가노이드 칩 모델은 신뢰할 수 있는 약물 스크리닝과 작용기전 연구를 위해, 고도로 재현 가능한 방식으로 제조되고 표준화되어야 한다. 본 연구에서는 3차원 주위혈관 공간(3D perivascular space)을 가진 인간 혈액-뇌-장벽(BBB)을 고도로 반복 가능하게 모델링하기 위해, ‘미세공학적 생리 시스템-조직 장벽 칩’(micro-engineered physiological system-tissue barrier chip)의 제조 형태를 MEPS-TBC로 제시한다. 주위혈관(perivascular) 영역은 조절 가능한 흡인(tunable aspiration)으로 제어하였으며, 3D에서 인간 성상세포(astrocytes)가 존재하여 네트워크를 형성하고, 인간 혈관 내피세포를 마주하는 인간 페리사이테(pericytes)와 소통함으로써 3D BBB를 재현하였다. MEPS-TBC의 하부 채널 구조는 다세포 구성을 유지하면서 흡인을 용이하게 하기 위해 전산 시뮬레이션을 통해 설계 및 최적화하였다. 3D 주위혈관 단위(perivascular unit)와 생리학적 전단 스트레스(physiological shear stress)에 의해 관류(perfused)된 내피(endothelium)를 포함하는 우리의 인간 BBB 모델은, 단지 내피 모델에 비해 더 높은 TEER과 더 낮은 투과도를 보이며 장벽 기능이 유의하게 향상된 것으로 나타났고, 이는 BBB 세포들 간의 세포 상호작용이 BBB 형성에 중대하게 기여함을 시사한다. 또한 본 BBB 모델은 염증성 말초 면역세포에 대한 항상성 수송(homeostatic trafficking) 조절에서뿐 아니라 BBB를 가로지르는 분자 수송(molecular transport) 제어에서도 세포 수준의 장벽 기능을 나타냈다. 우리는 본 제조 칩 기술이 질병 작용기전 연구와 예측 기반 약물 스크리닝을 위한 신뢰성 있고 표준화된 오가노이드-온-어-칩 모델을 구축할 것이라고 믿는다.