골다공증 약물 효능 평가용 뼈 모사 칩 개발

KBIS "모사 칩에서 얻은 세포 이미지 분석 통해 약물 효과 알 수 있어"

한국기초과학지원연구원(KBSI, 원장 신형식)은 골다공증 약물의 효능을 정확하게 평가 및 확인할 수 있는 고속 분석용 3차원 뼈모사칩을 개발했다고 14일 밝혔다.

뼈모사칩에서 얻은 대량의 세포 이미지를 분석, 약물의 정확한 효과를 효율적으로 알 수 있는 인공지능 기반 이미지 판별 방법도 함께 제시했다.

뼈모사칩 플랫폼 모식도 (자료=KBSI)

생체 모사 장기 칩은 인체의 복잡한 생리 현상을 재현하고, 실험 결과를 예측 및 해석하기 위한 기기다. 신약 개발 과정에 쓰이는 실험동물의 희생을 최소화할 대체시험법으로 관심이 크다.  

KBSI 연구장비개발부 김정아 박사 연구팀이 개발한 모사칩은 뼈의 생리학적 환경을 모사하고, 인공지능 기술을 적용해 표적약물의 스크리닝 및 반응 분석을 가능하게 한 평가 플랫폼이다. 

연구팀은 뼈세포에서 추출한 세포외기질 물질과 수화젤 형태의 콜라겐 물질인 하이드로젤을 골세포와 함께 배합해 생체적합성은 물론, 뼈세포의 성숙과 특유의 분화 능력을 최적화했다. 이 두 가지 뼈세포를 분석이 용이한 수평적 구조로 배치, 실제 뼈와 유사한 구조적 특징도 함께 모사했다.

이렇게 만들어진 뼈모사칩은 웰 플레이트에 내장될 수 있는 칩 형태로 만들어져 대량 제작에 유리하다. 상용화된 웰 플레이트 기반의 다양한 분석 장비들과도 호환성이 높다. 이 칩을 세포 기반의 고속대량 스크리닝 장비에 넣어 초고속으로 고품질 광학 이미지를 얻을 수 있다. 

고속대량 스크리닝 장비 및 AI를 이용한 뼈모사칩 이미징 분석 사진 (자료=KBSI)

연구팀은 고속 스크리닝으로 대량 생산된 이미지 데이터의 분석에 많은 시간과 노력이 소요된다는 문제를 해결하기 위해 자체 개발한 인공지능 알고리즘을 적용했다. 세포의 증식과 분화에 관여하는 베타-카테닌 단백질이 약물이 처리된 뼈모사칩에서 세포 안으로 이동하는 과정을 고속 대량으로 촬영하고, 이 이미지로 알고리즘을 학습시켰다. 

뼈의 형성을 막아 골다공증을 유발하는 스클레로스틴 단백질의 기능을 억제해 뼈 생성을 촉진하는 항체의약품을 모델로 약물을 처리한 실험군과 미처리한 대조군을 비교하는 테스트를 진행한 결과, 99.5%의 판별 정확도를 획득했다.

김정아 박사는 "이번 연구는 장기칩을 실제 동물대체시험법으로 활용하는데 꼭 필요한 기술적 문제들을 극복하기 위해 고속대량 칩 시스템 제작, 생체재료, 이미징, 인공지능 등 다양한 기술을 융합하여 새로운 시도를 한 것"이라며 "이번 연구가 뼈 모델은 물론, 다양한 질병모델과 신약평가 플랫폼에 적용될 효율적 접근법이 되길 바란다"고 말했다.