'Body on a chip' could improve drug evaluation Human tissue samples linked by microfluidic channels replicate interactions of multiple organs. '체내 칩'은 약물 평가를 향상시킬 수 있습니다. 미세 유체 채널로 연결된 인간 조직 샘플은 여러 장기의 상호 작용을 복제해줍니다,
In the meantime, many laboratory animals have been sacrificed.
If Newly developed medicines are applied directly to humans, that has a lot of risks.
I now feel like we do not have to sacrifice any more mice.
그동안 많은 실험용 동물들이 희생되었다.
인간이 만드는 신약등은 인간에게 바로 직접적용하기에 위험 부담이 컸기 때문이다.
이제 더 이상 생쥐가 희생하지 않아도 될것 같은 생각이 든다.
MIT engineers have designed a microfluidic platform that connects engineered tissue from up to 10 organs, allowing them to replicate human-organ interactions.
If Newly developed medicines are applied directly to humans, that has a lot of risks.
I now feel like we do not have to sacrifice any more mice.
그동안 많은 실험용 동물들이 희생되었다.
인간이 만드는 신약등은 인간에게 바로 직접적용하기에 위험 부담이 컸기 때문이다.
이제 더 이상 생쥐가 희생하지 않아도 될것 같은 생각이 든다.
MIT engineers have designed a microfluidic platform that connects engineered tissue from up to 10 organs, allowing them to replicate human-organ interactions.
📷 Felice Frankel
The new platform should allow researchers to measure the effects of experimental drugs on different parts of the body before testing them in humans.
📷 Felice Frankel
News Summary : Engineers have developed new technology that could be used to evaluate new drugs and detect possible side effects before they are approved for human use. Using a microfluidic platform that connects tissue samples from up to 10 organs, the researchers can accurately replicate human organ interactions, allowing them to measure the effects of drugs on different parts of the body.
뉴스 요약 : 엔지니어는 신약을 평가하고 인간이 사용할 수 있도록 승인 받기 전에 가능한 부작용을 감지하는 데 사용할 수있는 새로운 기술을 개발했습니다. 연구진은 조직에서 최대 10 개의 장기를 연결하는 미세 유체 플랫폼을 사용하여 인간 기관의 상호 작용을 정확하게 복제하여 신체의 다른 부위에서 약물의 영향을 측정 할 수 있습니다.
뉴스 요약 : 엔지니어는 신약을 평가하고 인간이 사용할 수 있도록 승인 받기 전에 가능한 부작용을 감지하는 데 사용할 수있는 새로운 기술을 개발했습니다. 연구진은 조직에서 최대 10 개의 장기를 연결하는 미세 유체 플랫폼을 사용하여 인간 기관의 상호 작용을 정확하게 복제하여 신체의 다른 부위에서 약물의 영향을 측정 할 수 있습니다.
MIT engineers have developed new technology that could be used to evaluate new drugs and detect possible side effects before the drugs are tested in humans. Using a microfluidic platform that connects engineered tissues from up to 10 organs, the researchers can accurately replicate human organ interactions for weeks at a time, allowing them to measure the effects of drugs on different parts of the body.
Such a system could reveal, for example, whether a drug that is intended to treat one organ will have adverse effects on another.
"Some of these effects are really hard to predict from animal models because the situations that lead to them are idiosyncratic," says Linda Griffith, the School of Engineering Professor of Teaching Innovation, a professor of biological engineering and mechanical engineering, and one of the senior authors of the study. "With our chip, you can distribute a drug and then look for the effects on other tissues and measure the exposure and how it is metabolized."
These chips could also be used to evaluate antibody drugs and other immunotherapies, which are difficult to test thoroughly in animals because they are designed to interact with the human immune system.
David Trumper, an MIT professor of mechanical engineering, and Murat Cirit, a research scientist in the Department of Biological Engineering, are also senior authors of the paper, which appears in the journal Scientific Reports. The paper's lead authors are former MIT postdocs Collin Edington and Wen Li Kelly Chen.
Modeling organs
When developing a new drug, researchers identify drug targets based on what they know about the biology of the disease, and then create compounds that affect those targets. Preclinical testing in animals can offer information about a drug's safety and effectiveness before human testing begins, but those tests may not reveal potential side effects, Griffith says. Furthermore, drugs that work in animals often fail in human trials.
"Animals do not represent people in all the facets that you need to develop drugs and understand disease," Griffith says. "That is becoming more and more apparent as we look across all kinds of drugs."
Complications can also arise due to variability among individual patients, including their genetic background, environmental influences, lifestyles, and other drugs they may be taking. "A lot of the time you don't see problems with a drug, particularly something that might be widely prescribed, until it goes on the market," Griffith says.
As part of a project spearheaded by the Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), Griffith and her colleagues decided to pursue a technology that they call a "physiome on a chip," which they believe could offer a way to model potential drug effects more accurately and rapidly. To achieve this, the researchers needed new equipment -- a platform that would allow tissues to grow and interact with each other -- as well as engineered tissue that would accurately mimic the functions of human organs.
Before this project was launched, no one had succeeded in connecting more than a few different tissue types on a platform. Furthermore, most researchers working on this kind of chip were working with closed microfluidic systems, which allow fluid to flow in and out but do not offer an easy way to manipulate what is happening inside the chip. These systems also require external pumps.
The MIT team decided to create an open system, which essentially removes the lid and makes it easier to manipulate the system and remove samples for analysis. Their system, adapted from technology they previously developed and commercialized through U.K.-based CN BioInnovations, also incorporates several on-board pumps that can control the flow of liquid between the "organs," replicating the circulation of blood, immune cells, and proteins through the human body. The pumps also allow larger engineered tissues, for example tumors within an organ, to be evaluated.
Complex interactions
The researchers created several versions of their chip, linking up to 10 organ types: liver, lung, gut, endometrium, brain, heart, pancreas, kidney, skin, and skeletal muscle. Each "organ" consists of clusters of 1 million to 2 million cells. These tissues don't replicate the entire organ, but they do perform many of its important functions. Significantly, most of the tissues come directly from patient samples rather than from cell lines that have been developed for lab use. These so-called "primary cells" are more difficult to work with but offer a more representative model of organ function, Griffith says.
Using this system, the researchers showed that they could deliver a drug to the gastrointestinal tissue, mimicking oral ingestion of a drug, and then observe as the drug was transported to other tissues and metabolized. They could measure where the drugs went, the effects of the drugs on different tissues, and how the drugs were broken down. In a related publication, the researchers modeled how drugs can cause unexpected stress on the liver by making the gastrointestinal tract "leaky," allowing bacteria to enter the bloodstream and produce inflammation in the liver.
Griffith believes that the most immediate applications for this technology involve modeling two to four organs. Her lab is now developing a model system for Parkinson's disease that includes brain, liver, and gastrointestinal tissue, which she plans to use to investigate the hypothesis that bacteria found in the gut can influence the development of Parkinson's disease.
Other applications include modeling tumors that metastasize to other parts of the body, she says.
"An advantage of our platform is that we can scale it up or down and accommodate a lot of different configurations," Griffith says. "I think the field is going to go through a transition where we start to get more information out of a three-organ or four-organ system, and it will start to become cost-competitive because the information you're getting is so much more valuable."
The research was funded by the U.S. Army Research Office and DARPA.
📖 보충공부 : 동물실험 대체하는 장기칩
인체의 장기 모방한 '장기 칩 (간·척수·심장등)"이 15가지 넘게 개발 되었다. 최근 10종의 칩, 하나로 결합 성공했다. 모든 인간 장기 구현이 최종 목표이며 쥐·개 등 동물실험 거치지 않고 약물이 모든 장기에 미치는 영향 한 번에 알아볼 수 있게 돼어 동물 실험 대체가 가능해졌다.
📷 조선일보 & Chosun.com.
📷 조선일보 & Chosun.com.
http://news.mit.edu/2018/body-chip-could-improve-drug-evaluation-0314
http://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2018/03/14/2018031403400.html
📖 보충공부 : 동물실험 대체하는 장기칩
인체의 장기 모방한 '장기 칩 (간·척수·심장등)"이 15가지 넘게 개발 되었다. 최근 10종의 칩, 하나로 결합 성공했다. 모든 인간 장기 구현이 최종 목표이며 쥐·개 등 동물실험 거치지 않고 약물이 모든 장기에 미치는 영향 한 번에 알아볼 수 있게 돼어 동물 실험 대체가 가능해졌다.
하지만 눈을 세포 단위로 돌리면 사정이 다르다. 인체의 다양한 장기 조직들이 손가락만 한 칩 위에 잇따라 구현되고 있다. 바로 '칩 위의 장기(organ on a chip)'이다. 여러 장기 칩을 연결하면 '칩 위의 인간(human on a chip)'까지 만들 수 있다. 선진국을 중심으로 동물 실험이 점점 퇴출되는 가운데, 칩 위의 장기·인간은 신약 개발의 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수단으로 부상하고 있다.
동물 실험의 부작용 차단 가능
지난달 미국 펜실베이니아대 허동은 교수 연구진은 국제학술지 '첨단 의료 재료'에 "인체 태반(胎盤)을 칩 위에 구현하는 데 성공했다"고 발표했다. 이 연구 결과는 저널 표지논문으로 실렸다.
동물 실험의 부작용 차단 가능
지난달 미국 펜실베이니아대 허동은 교수 연구진은 국제학술지 '첨단 의료 재료'에 "인체 태반(胎盤)을 칩 위에 구현하는 데 성공했다"고 발표했다. 이 연구 결과는 저널 표지논문으로 실렸다.
칩은 투명한 플라스틱 용기에 파랗고 붉은 선이 맞닿아 있는 형태다. 한쪽 선에는 태반의 영양막 상피세포를, 다른 선에는 혈관 내피세포를 자라게 했다. 둘 사이에는 얇은 막을 뒀다. 연구진은 시판 중인 약물 두 종류로 태반 칩이 인체 내부와 똑같은 반응을 한다는 사실을 확인했다.
허 교수는 "미국에서는 임신부의 80%가 임신 기간 중 최소 한 번은 약물을 섭취한다는 통계가 있다"며 "태반 칩은 임신부가 복용한 약이 태아에게 전달될지 여부를 미리 시험해볼 수 있다"고 밝혔다.
과학자들이 각종 장기 세포를 칩 위에 배양하는 것은 예기치 못한 인명 사고를 방지하기 위해서이다. 1960년대 임신부의 입덧을 막는 신경안정제로 개발된 탈리도마이드는 쥐와 개를 이용한 독성 실험에선 부작용이 나타나지 않았다. 하지만 탈리도마이드를 복용한 임신부 5000여명이 기형아를 낳았다. 태반 칩이 있었다면 충분히 막을 수 있었던 일이다.
신약 실험에 쥐 대신 인간과 비슷한 원숭이나 침팬지를 쓸 수도 있다. 하지만 침팬지 역시 유전자가 인간과 완전히 같지 않다. 게다가 최근 미국과 유럽에서는 영장류 실험이 금지되는 추세이다.
허파에서부터 뇌·눈·생식기 칩까지
장기는 3차원 입체 형태인데 기존 배양접시의 세포는 2차원 평면이어서 약물에 대한 반응이 달랐다. 또 2차원 세포에는 맥박과 같이 인체 내부에 작용하는 힘이 미치지 않는다는 단점도 있었다.
장기 칩은 실제 장기의 구조를 모방했다. 허동은 교수는 2010년 하버드대 위스연구소 박사후 연구원 시절 세계 최초의 장기 칩인 허파 칩을 개발했다. 공기가 흐르는 위쪽 면에는 허파 폐포의 상피세포를 깔고 피가 흐르는 아랫면에는 혈관 내피세포를 붙였다. 두 관을 맞닿게 하고 양쪽에서 진공펌프로 정기적으로 수축과 이완을 시켰다. 숨을 쉴 때 허파가 늘었다 줄었다 하는 것을 모방한 것이다.
이후 간·신장·척수·심장 등 15가지가 넘는 장기 칩이 개발됐다. 미국 서던캘리포니아대 연구진은 심장병 환자의 피부세포를 수정란에 있는 배아줄기세포 상태로 변화시킨 다음, 다시 심근세포로 자라게 했다. 이것으로 만든 심장 칩은 해당 환자에게 어떤 약이 맞는지 실험할 수 있다. 환자 맞춤형 치료가 가능한 것이다. 노스웨스턴대 연구진은 여성 생식기에서 추출한 여러 세포와 간세포를 결합한 생식기 칩을 만들어 28일의 생리 주기를 재현하는 데 성공했다.
장기 칩 10가지 연결한 '칩 위의 인간'
장기 칩은 본격적인 상용화 단계에 들어섰다. 위스연구소에서 창업한 이뮬레이트는 지난해 미국식품의약국(FDA)으로부터 간 칩을 식품 보조제와 화장품 독성 실험에 쓸 수 있도록 허가받았다. 미국 제약사 머크와 허파 칩으로 천식과 호흡기 감염증 치료제 시험도 하고 있다. 독일 베를린공대 출신 티스유즈는 2~4가지 장기 칩을 연결한 복합 장기 칩으로 독성 시험을 하고 있다.
국내에서는 전누리 서울대 교수가 큐리오칩스를 창업해 혈관 칩을 상용화했다. 여기에 암세포를 넣고 혈관이 자라는 형태를 분석하면 암세포의 독성을 판단할 수 있다. 성종환 홍익대 교수는 심장, 췌장 등 여러 장기 칩을 하나의 칩에 묶는 연구를 하고 있다. 고려대·한림대·울산과기원 등에서도 장기 칩을 개발하고 있다.
장기 칩의 최종 목적은 칩에 인간의 모든 장기와 조직을 구현하는 것이다. 이를 이용하면 약물이 인체의 모든 장기에 미치는 영향을 한 번에 알아볼 수 있다. 미국 국방부 방위고등연구계획국(DARPA)은 미국 MIT 린다 그리피스 교수가 10가지 장기 칩을 하나로 묶는 연구를 지원했다. 그리피스 교수 연구진은 2016년 바이오 기업 CN바이오 이노베이션과 7가지 칩의 결합에 성공한 데 이어 최근 10가지 칩의 결합도 성공한 것으로 알려졌다.
허 교수는 "미국에서는 임신부의 80%가 임신 기간 중 최소 한 번은 약물을 섭취한다는 통계가 있다"며 "태반 칩은 임신부가 복용한 약이 태아에게 전달될지 여부를 미리 시험해볼 수 있다"고 밝혔다.
과학자들이 각종 장기 세포를 칩 위에 배양하는 것은 예기치 못한 인명 사고를 방지하기 위해서이다. 1960년대 임신부의 입덧을 막는 신경안정제로 개발된 탈리도마이드는 쥐와 개를 이용한 독성 실험에선 부작용이 나타나지 않았다. 하지만 탈리도마이드를 복용한 임신부 5000여명이 기형아를 낳았다. 태반 칩이 있었다면 충분히 막을 수 있었던 일이다.
신약 실험에 쥐 대신 인간과 비슷한 원숭이나 침팬지를 쓸 수도 있다. 하지만 침팬지 역시 유전자가 인간과 완전히 같지 않다. 게다가 최근 미국과 유럽에서는 영장류 실험이 금지되는 추세이다.
허파에서부터 뇌·눈·생식기 칩까지
장기는 3차원 입체 형태인데 기존 배양접시의 세포는 2차원 평면이어서 약물에 대한 반응이 달랐다. 또 2차원 세포에는 맥박과 같이 인체 내부에 작용하는 힘이 미치지 않는다는 단점도 있었다.
장기 칩은 실제 장기의 구조를 모방했다. 허동은 교수는 2010년 하버드대 위스연구소 박사후 연구원 시절 세계 최초의 장기 칩인 허파 칩을 개발했다. 공기가 흐르는 위쪽 면에는 허파 폐포의 상피세포를 깔고 피가 흐르는 아랫면에는 혈관 내피세포를 붙였다. 두 관을 맞닿게 하고 양쪽에서 진공펌프로 정기적으로 수축과 이완을 시켰다. 숨을 쉴 때 허파가 늘었다 줄었다 하는 것을 모방한 것이다.
이후 간·신장·척수·심장 등 15가지가 넘는 장기 칩이 개발됐다. 미국 서던캘리포니아대 연구진은 심장병 환자의 피부세포를 수정란에 있는 배아줄기세포 상태로 변화시킨 다음, 다시 심근세포로 자라게 했다. 이것으로 만든 심장 칩은 해당 환자에게 어떤 약이 맞는지 실험할 수 있다. 환자 맞춤형 치료가 가능한 것이다. 노스웨스턴대 연구진은 여성 생식기에서 추출한 여러 세포와 간세포를 결합한 생식기 칩을 만들어 28일의 생리 주기를 재현하는 데 성공했다.
장기 칩 10가지 연결한 '칩 위의 인간'
장기 칩은 본격적인 상용화 단계에 들어섰다. 위스연구소에서 창업한 이뮬레이트는 지난해 미국식품의약국(FDA)으로부터 간 칩을 식품 보조제와 화장품 독성 실험에 쓸 수 있도록 허가받았다. 미국 제약사 머크와 허파 칩으로 천식과 호흡기 감염증 치료제 시험도 하고 있다. 독일 베를린공대 출신 티스유즈는 2~4가지 장기 칩을 연결한 복합 장기 칩으로 독성 시험을 하고 있다.
국내에서는 전누리 서울대 교수가 큐리오칩스를 창업해 혈관 칩을 상용화했다. 여기에 암세포를 넣고 혈관이 자라는 형태를 분석하면 암세포의 독성을 판단할 수 있다. 성종환 홍익대 교수는 심장, 췌장 등 여러 장기 칩을 하나의 칩에 묶는 연구를 하고 있다. 고려대·한림대·울산과기원 등에서도 장기 칩을 개발하고 있다.
장기 칩의 최종 목적은 칩에 인간의 모든 장기와 조직을 구현하는 것이다. 이를 이용하면 약물이 인체의 모든 장기에 미치는 영향을 한 번에 알아볼 수 있다. 미국 국방부 방위고등연구계획국(DARPA)은 미국 MIT 린다 그리피스 교수가 10가지 장기 칩을 하나로 묶는 연구를 지원했다. 그리피스 교수 연구진은 2016년 바이오 기업 CN바이오 이노베이션과 7가지 칩의 결합에 성공한 데 이어 최근 10가지 칩의 결합도 성공한 것으로 알려졌다.
📝 Story Source:
Massachusetts Institute of Technology. Original written by Anne Trafton.
📚 Reference
조선일보 & Chosun.com.
조선일보 & Chosun.com.
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