약물 부작용·급성 신장 손상…작은 칩에서 미리 파악한다

[아이뉴스24 정종오 기자] 미세유체칩에서 약물 부작용과 급성 진장 손상을 예측할 수 있는 길이 열렸다.

횡문근융해증은 약물 복용 등으로 근육이 손상되면서 그 영향이 신장 기능 저하와 급성 신부전으로 이어질 수 있는 질환이다.

근육과 신장이 인체 내에서 어떻게 서로 영향을 주며 동시에 손상되는지를 직접 관찰하는 데에는 한계가 있었다. 한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 이러한 장기 간 상호작용을 실험실 환경에서 정밀하게 재현할 수 있는 새로운 장치를 개발했다.

KAIST(총장 이광형)는 기계공학과 전성윤 교수 연구팀이 기계공학과 심기동 교수팀, 분당서울대병원 김세중 교수와 공동 연구를 통해 약물로 인한 근육 손상이 신장 손상으로 이어지는 과정을 실험실에서 재현할 수 있는 ‘바이오 미세유체시스템(Biomicrofluidic system)’을 개발했다고 5일 발표했다.

미세유체시스템은 아주 작은 칩 위에서 인체 장기 환경을 구현한 장치를 말한다.

이번 연구는 근육과 신장을 동시에 연결·분리할 수 있는 모듈형(조립형) 장기칩을 활용했다. 약물 유발 근육 손상이 신장 손상으로 이어지는 인체 장기 간 연쇄 반응을 실험실에서 처음으로 정밀하게 재현했다는 점에서 의미가 크다.

연구팀은 실제 인체 환경과 비슷한 조건을 구현하기 위해 입체적으로 구현한 근육 조직과 근위세뇨관 상피세포(신장에서 핵심 역할을 하는 세포)를 하나의 작은 칩 위에서 연결할 수 있는 구조를 개발했다.

해당 시스템은 필요에 따라 장기 조직을 연결하거나 다시 분리할 수 있는 플러그-앤-소켓 방식의 모듈형 미세유체 칩이다. 작은 칩 위에서 실제 사람의 장기처럼 세포와 조직을 배양하고 서로 영향을 주고받도록 설계됐다.

연구팀은 해당 플랫폼을 활용해 실제 임상에서 근육 손상을 유발하는 것으로 알려진 아토르바스타틴(고지혈증 치료제)과 페노피브레이트(중성지방 치료제)를 실험에 적용했다.

그 결과, 칩 위의 근육 조직에서는 근육이 힘을 내는 능력이 떨어지고 구조가 망가졌다. 마이오글로빈(근육 세포 안에 있는 단백질로 산소 저장 역할)과 CK-MM(근육에 많이 존재하는 효소)등 근육 손상 정도를 보여주는 물질의 수치가 증가하는 등 횡문근융해증의 전형적 변화가 관찰됐다.

동시에 신장 조직에서는 정상적으로 살아 있는 세포 수가 감소하고 세포 사멸이 증가했다. 급성 신손상이 발생할 때 증가하는 지표의 발현도 유의미하게 증가했다. 손상된 근육에서 나온 독성 물질이 신장 손상을 단계적으로 더욱 악화시키는 연쇄적인 손상 과정까지 함께 확인할 수 있었다.

전성윤 교수는 “이번 연구는 근육과 신장 사이에서 발생하는 상호작용과 독성 반응을 실제 인체와 유사하게 분석할 수 있는 기반을 마련했다”며 “이를 통해 앞으로 약물 부작용을 사전에 예측하고 급성 신손상이 발생하는 원인을 규명하며 개인별 맞춤형 약물 안전성 평가로까지 확장할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

김재상 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구 성과(논문명: Implementation of Drug-Induced Rhabdomyolysis and Acute Kidney Injury in Microphysiological System)는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리어스(Advanced Functional Materials)’에 25년 11월 12일 자로 실렸다.