안정성평가연구소, 안전성평가 위한 새로운 정량평가 시스템 개발
안정성평가연구소, 안전성평가 위한 새로운 정량평가 시스템 개발
  • 최하늘 기자
  • 승인 2021.01.13 13:03
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비알코올지방간질환과 임피던스 분석 모형. (안정성평가연구소 제공)
비알코올지방간질환과 임피던스 분석 모형. (안정성평가연구소 제공)

안전성평가연구소(KIT)는 비알코올 지방간질환에 대한 3차원 세포모델을 구현하고 임피던스 측정을 통해 비알코올 지방간질환의 진행정도를 비임상 연구단계에서 평가할 수 있는 새로운 시스템을 개발했다.

비알코올 지방간질환(Non-alcoholic Fatty Liver Disease, NAFLD)은 알코올 섭취력 없이 알코올성 간염과 유사한 조직소견을 보이는 질환으로 단순 지방간으로부터 간세포 손상과 염증반응이 나타나는 지방간염과 간섬유화 및 간경변 단계까지를 포함하는 대표적인 만성 간질환이다.

비알코올 지방간질환은 비만, 당뇨 등 대사성증후군과 함께 서구에서 가장 높은 빈도로 유발되는 만성 간질환으로 알려져 있으며 최근 아시아를 비롯한 우리나라에서도 식습관 변화와 함께 유병율이 16~33% 정도로 급격히 증가하는 추세이나 FDA에 공식적으로 승인된 치료제는 아직 개발되지 않고 있다.

기존에 비알코올 지방간질환 진행단계를 평가하기 위해서는 침습성 생검을 통한 조직 검사를 표준방법으로 사용하고 있지만 적은 조직이 전체 간을 대변하기 어렵고 판독자에 따라서도 오차가 발생하고 있어 비알코올 지방간질환의 치료제 스크리닝 및 후보 약물의 효능을 입증하기 어려운 한계가 있다.

침습성은 생체 조직검사를 위해 바늘 생검을 하거나 수술을 통해 조직 검체를 채취하는 과정이며 생검은 생체조직검사의 줄여 이르는 말로 병을 진단하거나 치료 경과를 검사하기 위하여 콩팥이나 간 따위의 조직을 약간 잘라 내어 현미경으로 검사하는 것을 뜻한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 안전성평가연구소는 비임상 연구단계에서 비알코올 지방간질환의 진행정도를 정량적으로 평가할 수 있는 시스템을 개발하기 위해 임피던스 연구를 진행했다.

임피던스(Impedance)는 교류 회로의 전압과 전류의 비(比)로 나타나는 복합저항으로 2차원 세포모델에서 사멸 및 세포 형태변화 모니터링에 활용되거나 인바디 측정과 같이 인체의 체지방량 측정의 원리로도 사용되고 있다.

분자독성연구그룹 연구팀은 임피던스를 활용한 비알코올 지방간질환의 평가를 위해 전도성 액체가 들어있는 마이크로채널에 3차원 비알코올 지방간질환의 세포모델을 주입시키고 다양한 임피던스 파라미터를 분석했다.

분석 결과 비알코올 지방간질환의 진행 경과에 따른 세포모델 내 중성지방의 증가, 염증에 의한 세포 확장, 막간 단백질 손상 및 간 섬유화 정도에 따른 경도 증가 등 임상에서 나타나는 비알코올 지방간질환의 특징을 임피던스 파라미터의 변화를 통해 정량적으로 평가할 수 있음을 세계 최초로 밝혀냈다.

간섬유화는 간 조직이 지속적으로 손상과 재생을 되풀이하는 과정에서 간이 딱딱하게 굳어지는 것을 말하며 경도는 물체의 물리적인 단단한 정도를 말한다.

또한 3차원의 정상 간조직과 단순 지방간, 지방간염 세포모델에 일정한 압력하에 주파수별로 임피던스 파라미터를 측정하고 내·외부 저항값 및 정전용량 변화 값을 이용한 모델링 분석을 통해 단순 지방간과 지방간염을 구분 할 수 있다.

정전용량(Capacitance)은 전자기학에서 정전용량 또는 전기들이 축전기가 전하(전기현상을 일으키는 물질의 물리적 성질)를 저장할 수 있는 능력을 나타내는 물리량이며 단위 전압에서 축전기가 저장하는 전하이다.

또한 정상 간조직과 간 섬유화 조직에 압력을 주었을 때 정상 간조직에 비해 간섬유화 조직에서 저항값의 변화량이 작아져 물리적인 경도가 증가(굳어짐)함을 확인할 수 있으며 이를 통해 간 섬유화를 평가할 수 있다.

이번 연구를 통해 비알코올 지방간질환을 정량적으로 평가할 수 있는 평가법을 제시함으로써 비알코올 지방간질환에 대한 새로운 치료제 개발 가속화 및 비알코올 지방간질환을 유발시킬수 있는 유해인자 탐색에 활용할 수 있을 것으로 기대 된다.

또한 해당 연구 결과는 임상단계의 비알코올 지방간질환의 진단기준을 이용해 비임상 단계의 간조직 모델에서 비알코올 지방간질환의 진행정도와 임피던스 변화 간의 상관성을 규명해 새로운 비알코올 지방간질환의 평가법을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다.

오정화 분자독성연구그룹 박사는 “이번 연구는 간 조직 외에도 심장 또는 폐 등의 타 장기 유사구조체 및 질환 오가노이드 모델 평가에도 적용 가능할 것으로 기대 된다”라며 “임피던스를 활용한 새로운 질환 평가 시스템 개발을 위해 계속해서 연구해 나갈 계획” 이라고 말했다.

비알코올 지방간질환의 정량적 평가 기술은 현재 국내 특허 등록을 완료하였으며 미국과 일본의 특허 출원을 완료해 등록 심사 중에 있다.

3차원 미세 간 조직(정상 간조직, 단순 지방간과 지방간염)을 제작해 마이크로채널에 삽입한 뒤 일정한 압력으로 전류를 주어 임피던스를 측정했다.

단순 지방간에서 지방간염으로 진행될 때 나타나는 막간 단백질 손상 증가, 풍선변성  등의 특징을 일정한 압력을 주어 임피던스 파라미터 모델링을 통해 단순 지방간과 지방간염을 평가할 수 있다.

풍선변성은 세포질 내에 대사 축적물이 집적돼 팽창을 일으키는 것을 말한다.

또한 정상 간조직과 간 섬유화 조직에 변화된 압력을 주었을 때 간 섬유화가 진행된 조직에서는 물리적으로 경도가 증가되어 길이 변화가 적은 것을 확인할 수 있으며 이를 통해 간 섬유화의 정도를 평가할 수 있다.

한편 해당 연구 내용은 생체재료공학분야 1위 저널인 ‘Biomaterials(IF 10.3)’의 제 268권호에 올해 1월 게재됐다.

논문명은 Quantification of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) progression in 3D liver microtissues using impedance spectroscopy, 제1저자·교신저자는 안전성평가연구소 안재환·오정화, 공동 교신저자는 조성보 가천대학교 교수이며 해당 연구는 안전성평가연구소 기관 주요사업 ‘BIT 융합 인체독성예측 플랫폼 기술개발’ 과제로 수행됐다.