배경: 호흡기 질환은 전 세계 사망 원인의 2번째로 높은 비중을 차지한다. 만성 폐질환에 대한 현재의 치료는 주로 보조적이다. 지난 40년 동안 폐질환에 대해 새로운 치료제 계열이 도입된 사례는 매우 드물었는데, 이는 빠르고 비용 효율적이며 고처리량(high-throughput) 시험을 가능하게 하는 신뢰할 수 있는 폐 모델의 부재 때문이다. 폐질환을 위한 새로운 치료제 개발을 가속화하기 위해, 우리는 두 가지 범주의 폐를 모사하는 모델을 구축하였다: (i) 건강한 폐, (ii) 질환성 폐 - COPD. 방법: 폐의 복잡성을 서로 다른 정도로 모사하는 모델을 구축하기 위해, 다섯 가지 설계 요소를 사용하였다: (i) 세포 유형, (ii) 막 구조/구성, (iii) 환경 조건, (iv) 세포 배열, (v) 기질, 매트릭스 구조 및 조성. 폐 모델이 재현 가능하고 신뢰할 수 있는지를 확인하기 위해, 세포 장벽 기능, 투과성, 치밀연접(tight junctions), 조직 구조, 조직 조성, 사이토카인 분비에 대한 실시간 및 종말점(end-point) 정량·정성 측정을 통합한 품질관리(QC) 전략을 개발하였다. 결과: 건강한 모델은 (i) 연속적인 치밀연접, (ii) 생리적 세포 장벽 기능, (iii) 여러 세포층으로 구성된 전층 두께의 상피, (iv) 섬모세포와 잔세포의 존재를 특징으로 한다. 한편 질환 모델은 사람의 COPD 질환을 모사하는데, (i) 기능 장애를 보이는 세포 장벽 기능, (ii) 섬모세포의 고갈, (ii) 잔세포의 과도한 생성이 포함된다. 본 연구에서 개발된 모델은 기존의 체외(in vitro) 폐 모델과 비교할 때 여러 경쟁적 이점을 가진다: (i) 거시적(macroscale) 특성으로 인해 동일한 모델 시스템에 대해 다중양식(multimodal) 및 상관적(correlative) 특성분석이 가능하며, (ii) 환자에서 유래한 세포를 사용함으로써 개인맞춤 의학을 위한 환자별 개별 모델의 생성이 가능하고, (iii) 세포외기질(extracellular matrix) 단백질 인터페이스를 사용하여 생리적 세포 부착 및 분화를 촉진하며, (iv) 배지 미세순환(media microcirculation)으로 인간 폐에서의 역동적 조건을 모사한다. 결론: 본 모델은 흡입되는 오염 물질 또는 병원체에 의해 유발되는 독성 및 손상뿐 아니라, 새로운 치료제의 안전성, 유효성 및 우수성을 평가하는 데 활용될 수 있다. 또한 이러한 모델은 직업적 유해요인에 노출되는 고위험 환자 또는 작업자에서 새로운 치료제의 보호 기능을 시험하는 데에도 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
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