줄기·면역세포 유전자 편집·조작을 위한 미세유체 칩 개발
전기/바이러스 이용없이 다양한 유전자 조작물질 세포내 전달 가능
세포치료 연구분야 실질적 기여 기대
정아람 교수팀 논문, 세계적 학술지 ACS Nano 온라인 게재

▲ 바이오의공학부 정아람 교수(왼쪽)와 허정수 연구원(오른쪽, 제1저자)

보건과학대학 바이오의공학부 정아람 교수 연구팀이 줄기세포나 면역세포의 유전자 편집 및 조작을 위한 미세유체 칩(Microfluidic chip)을 개발했다. 해당 연구 논문은 세계적인 학술지 ‘ACS Nano(IF:14.5)’에 현지시간 10월 9일자 온라인 게재됐다.

줄기세포 또는 면역세포와 같은 일차 세포(primary cell)는 일반 세포주(cell line)와 달리 수명이 제한적이며 인위적인 유전자 조작이 매우 어렵다. 그럼에도 불구하고 일차 세포의 유전자 편집은 세포 치료제 개발에 있어 필수적이기 때문에 이를 효과적으로 형질전환 시킬 수 있는 기술의 개발이 요구됐다. 특히, 암 면역치료(cancer immunotherapy)는 최근 혈액암과 같은 난치암 완치에 성공했는데, 이를 상용화하고 다른 고형암 치료의 적용을 위해 대량의 면역세포의 유전자 편집 기술의 개발이 시급한 현실이다.

정아람 교수팀이 개발한 미세유체 세포내 물질전달 플랫폼은 기존의 기술들과는 다르게 전기 또는 바이러스를 이용하지 않고 미세유체 채널 내에서 형성되는 유체의 유동만을 이용하여 다양한 유전자 조작 물질들을 세포 내로 전달한다. 해당 기술은 전달물질의 크기와 세포의 종류에 상관없이 고효율로 전달이 가능한 높은 범용성을 증명했으며 특히, 일차세포인 줄기세포(사람 탯줄유래 줄기세포, 지방유래 줄기세표)와 면역세포(쥐 골수유래 수지상세포)에 대하여 기존 상용화된 전기천공 기술과 고분자 캐리어 이용 기술보다 높은 형질전환 수율을 얻어내는데 성공했다. 더불어 1분에 약 백만개 이상의 세포를 대량으로 형질전환시킬 수 있다는 점에서 세포치료 연구 분야에 실질적인 기여를 할 수 있을 것이라 기대된다.

▲ 그림1. (A) 미세유체 채널기반 세포내 물질전달 플랫폼의 모식도 및 세포막 투과화 과정(i–iii). (B) 형광물질이 전달된 K562 세포의 이미지.

또한, 현재 세포 기능 편집을 위한 다양한 나노 입자의 연구가 활발히 이루어지고 있는 가운데, 연구팀은 해당 기술을 이용하여 직경 300 nm에 달하는 나노 입자를 세포질 내로 전달할 수 있음을 증명함으로써 다양한 나노 입자 기반 세포 공학 연구의 초석이 될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

▲그림2. (A) 미세유체 기반 세포내 물질전달 플랫폼을 이용한 일차세포 유전자 편집 효율 및 기존 기술들과의 비교.
(B) 대조군과 300 nm 나노 입자가 전달된 K562 세포의 형광 이미지

논문의 제1저자인 허정수 연구원은 “세포내 물질전달은 다양한 생명공학 연구에 있어서 필수적인 기술이다”라며 “이번 연구는 세계 최초로 미세채널 내의 유동만을 이용하여 줄기세포의 DNA 형질전환에 성공하였으며 기존의 상용 기술들보다 높은 일차세포의 유전자 편집 효율을 얻었다는 점에서 주목할 만한 성과”라고 연구 의의를 밝혔다.

이번 연구는 삼성 미래기술육성사업, 고려대학교, 한국연구재단의 지원 아래 수행됐다.
* 논문제목: Microfluidic Cell Stretching for Highly Effective Gene Delivery into Hard-to-Transfect Primary Cells
* 저자정보: 허정수(고려대, 제1저자), 박인애(POSTEC), 임경민(건국대), 도준상(서울대), 조쌍구(건국대), 정아람(고려대, 교신저자)
(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05169)

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)