심독성이란 항생제 등 치료를 위해 사용한 약물이 심장에 독으로 작용해 심장 기능에 이상을 일으키는 상태를 말한다. 주로 좌심실의 수축 능력을 저하시키고 심하면 심부전을 일으키기도 한다. 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)과 미국 조지아공과대학교(Georgia Institute of Technology, 이하 조지아텍) 연구진이 약물의 독성을 미리 관찰해 볼 수 있는 인공 심장을 프린팅하는 데 성공했다.

POSTECH 기계공학과‧IT융합공학과 장진아 교수, IT융합공학과 통합과정 용의중 씨, 시스템생명공학부 통합과정 김동환 씨, 기계공학과 정완균 교수, 김기훈 교수, 신소재공학과 정운룡 교수 연구팀이 미국 조지아텍 여운홍 교수‧김호중박사 연구팀과 공동연구를 통해 바이오하이브리드 3D 프린팅 기술로 약물의 심독성을 체외에서 관찰할 수 있는 인공 심장 모델을 프린팅했다. 심장에 작용하는 약물의 심독성을 무선, 실시간, 지속적으로 모니터링할 수 있도록 하는 이 연구 결과는 재료공학 분야 권위지 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 최근호에 속표지 논문(Inside back cover)으로 게재됐다.

약물 심독성은 약물 개발 초기 단계에서 주요 장애요인으로 여겨진다. 전임상 단계에서 심독성을 평가하는 체외 플랫폼은 다양하지만, 대부분의 심장 모델은 생리학적 관련성이 부족해 약물의 심독성을 제대로 예측하기는 어렵다. 최근 심장의 생리적 수축을 모사할 수 있는 3차원 인공 심장 조직(engineered heart tissue, EHT)이라는 심장 모델이 등장하면서, 많은 연구자가 이를 심근 수축 기능과 약리학적 효과를 연구하는 데에 활용하고 있다. 하지만, 아직까지 체외에서 약물의 급성·만성 효과를 지속해서 관찰하기 위한 적절한 플랫폼은 없는 실정이다.

공동연구팀은 지금까지의 인공 심장 모델과 달리 ‘바이오하이브리드 3D 프린팅(biohybrid 3D printing)’ 방법을 도입했다. 두 개의 기둥 구조체를 스트레인 게이지 센서(bipillar-grafted strain gauge sensor, BPSG sensor)가 내장된 기판에 접목시키고, 이어 EHT를 센서에 통합시켜 조직-센서 플랫폼(tissue-sensor platform)을 제작했다. 이렇게 제작된 플랫폼과 무선 다중 채널 전자 시스템을 이용하여 EHT 수축력을 지속적으로 모니터링하고, 약물의 급성·만성 심독성을 평가하는데 성공했다.

지금까지 체외 심장 모델의 수축력 모니터링 시스템의 경우, 높은 시간 해상도로 대량의 이미지 기반 데이터를 장시간 연속적으로 처리하는 데에는 한계가 있었지만, 이번에 개발된 조직-센서 플랫폼은 상대적으로 적은 양의 전기 판독 데이터로 수축력을 정량적으로 측정할 수 있어 장기간 연속 모니터링이 가능해졌다.

POSTECH 장진아 교수는 “이번에 개발한 바이오하이브리드 3D 프린팅 기술이 효과적인 약물 개발 과정을 위한 차세대 조직-센서 플랫폼을 제작할 수 있는 잠재적인 제조 방법이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부-정보통신기획평가원(IITP)의 글로벌핵심인재 양성지원사업, 과학기술정보통신부-복지부 범부처재생의료기술개발사업, 산업부-한국산업기술평가관리원(KEIT)의 산업기술알키미스트프로젝트, 미국 국립과학재단(NSF)의 지원으로 수행됐다.