일반적으로 신약을 개발하는 데 10~15년이 걸리고 비용은 약 26억 달러이다. 약물 후보가 인간 세포와 어떻게 상호 작용할지 예측하기 어렵기 때문에 많은 약물이 임상 시험을 통과하지 못한다. 인간 세포에 대한 신약을 시험하는 것은 비용이 많이 들고 복잡하기 때문에 신약 개발 초기에 하기 어렵다.  

이 문제를 해결하기 위해 우리 연구 그룹은 우표 크기의 칩에 디자이너 인공 세포를 만들었다. 이 인공 세포는 암이 진행되는 동안 세포가 어떻게 분해되는지 모방한다. 이를 통해 신약 발견(약물 개발 과정) 초기에 신약을 테스트하고 효과가 있을지 여부를 확인할 수 있다.

우리의 인공 세포는 새로운 암 약물이 세포에서 어떻게 작용하는지, 그리고 왜 특정 종류의 암이 화학 요법 치료에 더 내성이 있는지에 대한 조기 통찰력을 제공하도록 설계되었다.

빅토리아 대학교의 제 연구 그룹은 미세 유체 칩을 사용하여 신약 개발을 위한 인공 세포와 조직을 구축한다. 내 대학원생 중 한 명인 Elanna Stephenson은 이 이야기의 기반이 되는 암세포 연구를 수행했다. 우리는 공학, 생화학 및 약리학의 인터페이스에서 일하며 결과적으로 우리의 연구는 매우 학제적이다.

세포는 복잡하고 다양한 구성 요소로 구성된다. 세포막(세포의 "피부")도 다양한 유형의 분자로 구성되어 있다.

이러한 복잡성을 감안할 때 각 유형의 분자와 그 효과를 조사하기 위해 세포를 위에서 아래로 역설계 하는 것은 어렵다. 대신, 우리의 연구는 세포막을 구성하는 각 종류의 분자가 세포에 들어가는 약물의 능력에 어떻게 영향을 미치는지 개별적으로 결정하기 위해 인공 세포를 아래에서 위로 만드는 것을 목표로 한다.

우리 연구실의 현미경에 있는 미세유체 장치의 사진. 왼쪽에서 칩에 액체를 주입하는 데 사용되는 압력 펌프를 볼 수 있다. Elanna Stephenson 

미세유체 장치

우리는 칩이라는 미세 유체 장치를 사용하여 기존 실험실보다 훨씬 작은 규모로 유체를 조작한다. 일반적으로 마이크로미터(1000분의 1밀리미터)로 측정되는 이러한 작은 규모의 유체 조작을 미세유체학이라고 한다. 

우리의 미세 유체 칩은 파이프를 각인하는 투명한 폴리머로 만들어진다. 이 파이프는 머리카락 크기(100마이크로미터 또는 10분의 1밀리미터)이며 여러 면에서 화학 공장을 소형화 하는 것과 같다.

우리의 미세 유체 칩에서 우리는 인간 세포 크기의 작은 물방울을 생성한다. 이 과정을 물방울 미세 유체라고 한다. 우리는 각 액적을 독립적으로 조작하고 분석할 수 있도록 칩을 설계한다. 이것은 우리 연구의 엔지니어링 측면이다.

우리는 인간 세포의 세포막에서 발견되는 것과 유사한 분자로 물방울을 덮어 물방울 인터페이스 이중층(DIB)으로 알려진 인공 세포를 만든다. 이러한 유형의 인공 세포는 10년 이상 사용되었지만 암 중에 발생하는 세포막 구성의 붕괴를 모방하는 데 사용된 것은 이번이 처음이다.

이를 통해 화학 요법 약물인 독소루비신이 세포에 흡수될 때의 행동에 대한 새로운 통찰력을 밝힐 수 있었다. 이것은 우리 연구의 생화학 측면이다.

세포막 복제

세포막은 인지질이라고 하는 두 개의 분자 층으로 구성되어 있다. 일반적으로 이러한 층은 동일하지 않으며 이를 막 비대칭이라고 한다. 

암으로 인해 이 막 비대칭이 저하되고 두 층이 구성 면에서 훨씬 더 유사해진다. 우리는 인공 세포를 사용하여 이러한 막의 분해를 모델링할 수 있었다. 우리는 비대칭일 때와 대칭일 때 독소루비신이 이러한 인공 세포에 얼마나 잘 들어갈 수 있는지 테스트했다.

액적 인터페이스 이중층. 화학요법 약물인 독소루비신은 상부 비말에서 시작하여 점차적으로비대칭 인공 세포막을 가로질러 두 번째 비말로 이동한다. Royal Society of Chemistry의 허가에 의해 복제됨 

우리는 인공 세포의 비대칭 정도가 독소루비신이 인공 세포에 들어가는 속도에 영향을 미친다는 것을 발견했다. 이것은 약물이 일부 형태의 암에 대해 효과적으로 작용하지 않는 또 다른 가능한 이유를 강조한다. 이것은 우리 연구의 약리학 측면이다.

우리의 연구는 신약을 연구할 때 세포막의 구성과 구조적 특징을 밀접하게 복제하는 것의 중요성을 보여준다.

약물 개발 연구에 대한 현재의 접근 방식은 약물 발견 과정에서 너무 늦게까지 약물이 인체에서 어떻게 작용하는지 이해하지 못한다는 것을 의미한다. 이는 약물 개발에 필요한 비용과 시간 측면에서 비용이 많이 들고 궁극적으로 환자의 생명을 구할 수 있는 치료를 연기할 수 있다.

우리의 인공 세포는 약물 발견 과정에서 매우 초기에 인체의 약물 행동을 정확하게 예측하는 새로운 방법이 될 수 있다.

글쓴이: Katherine Elvira/ 빅토리아 대학교 화학과 연구 조교수