장기 칩 실시간 산소 모니터링 가능한 첨단 바이오센서 개발

장기 칩 개념과 데이터 수집의 과제

장기 칩 개념은 폐가 공기에서 혈류로 산소를 전달하는 방식과 같이 특정 장기 기능을 모방하는 소규모 생물학적 구조를 만듭니다. 목표는 이러한 장기 칩(마이크로생리학적 모델이라고도 함)을 사용하여 독성 평가나 새로운 약물 효과 평가를 위한 고처리량 테스트를 가속화하는 것입니다.

하지만 장기 칩 연구가 최근 몇 년간 상당한 발전을 이루었음에도 불구하고, 이러한 구조에서 실제로 데이터를 검색하도록 설계된 도구의 부족이 사용에 걸림돌이 되고 있습니다. 기존 데이터 수집 방법은 바이오어세이, 조직학, 또는 조직을 파괴하는 다른 기술을 수행하는 것입니다. 시스템 작동에 영향을 주지 않고 실시간으로 데이터를 수집하는 수단을 제공하는 도구가 필요합니다.

산소 농도 모니터링의 중요성

산소 수준은 신체 전반에 걸쳐 크게 다릅니다. 예를 들어 건강한 성인의 폐 조직은 약 15% 산소 농도를 가지지만 장 내벽은 약 0%입니다. 이는 산소가 조직 기능에 직접 영향을 미치기 때문에 중요합니다. 실험 수행 시 장기 칩에서 '정상' 산소 수준을 유지해야 장기가 정상적으로 어떻게 행동할지 알 수 있습니다. 이는 장기 칩의 즉각적 환경뿐만 아니라 조직 내 산소 수준 모니터링을 의미합니다.

인광 젤 기반 바이오센서 작동 원리

이러한 과제를 해결하기 위해 연구자들이 장기 칩 시스템에서 실시간으로 산소 수준을 추적할 수 있는 바이오센서를 개발했습니다. 이는 그러한 시스템이 실제 장기의 기능을 더 잘 모방하도록 보장합니다. 이는 약물 및 독성 테스트와 같은 응용 분야에서 장기 칩이 잠재력을 달성하는 데 필수적입니다.

바이오센서의 핵심은 적외선 빛에 노출된 후 적외선 빛을 방출하는 인광 젤입니다. 하지만 젤이 빛에 노출된 시점과 메아리치는 플래시를 방출하는 시점 사이의 지연 시간은 환경의 산소량에 따라 달라집니다. 산소가 많을수록 지연 시간이 짧아집니다. 이러한 지연 시간은 마이크로초만 지속되지만 이 시간들을 모니터링함으로써 연구자들은 산소 농도를 0.1% 단위까지 측정할 수 있습니다.

구현 및 검증

바이오센서가 작동하려면 젤의 얇은 층이 제작 과정에서 장기 칩에 통합되어야 합니다. 적외선 빛이 조직을 통과할 수 있으므로, 적외선 빛을 방출하고 인광 젤로부터의 메아리치는 플래시를 측정하는 '리더'를 사용하여 조직 내 산소 수준을 반복적으로 모니터링합니다. 지연 시간은 마이크로초 단위로 측정됩니다.

바이오센서는 인간 유방 상피 세포를 사용하여 건강한 조직과 암 조직을 모두 모델링하는 3차원 스캐폴드에서 성공적으로 테스트되었습니다. 다음 단계는 원하는 산소 농도를 유지하기 위해 자동으로 조정하는 시스템에 통합하는 것입니다.