Microfluidics를 사용하여 새로운 치료 응용 프로그램 개발

제 이름은 Mamed Toner입니다. 저는 기계 공학을 전공했으며, 이후 생의학 공학 및 과학을 공부했습니다. 현재 매사추세츠 종합병원, 하버드 의과대학, 그리고 하버드-MIT 보건과학기술학부의 교수진으로서 의학 분야에서 생의학 공학의 다양한 응용 방안을 탐구하고 있습니다. 혈액 내에서 특정 세포를 매우 신속하게 찾아내어 해당 세포의 생리적 상태를 결정하고, 염증이나 화상 또는 부상을 입은 환자와 같은 질병 상태에서 이러한 세포의 생리학적 특성을 이해하는 연구 등을 수행하고 있습니다.

또한 선천성 면역 체계의 반응을 이해하고, 이러한 사례에서 혈구 세포가 어떻게 염증 반응을 조절하는지 파악하며, 이들의 게노믹스와 프로테오믹스를 분석하고자 합니다. 이러한 예시에서 중요한 점은 세포의 생리적 특성과 발현 수준 등을 변화시키지 않고 해당 세포들을 분리해내는 것입니다. 즉, 세포를 다루는 과정에서 발생하는 인위적인 결과물이 아니라, 근본적인 문제에 대한 자연스러운 생리적 상태를 조사하는 것입니다.

다른 응용 분야로는 CD4 양성 림프구 수치와 같이 치료 시작 여부를 결정하는 표적 세포를 측정할 수 있는 글로벌 헬스 칩과 같은 현장 진단(point of care) 유형의 장치들이 있습니다. 따라서 저희는 미세유체 칩 기술을 통해 CD4 양성 세포를 찾아내고 계수할 수 있는 칩을 개발하고 있으며, 더 복잡한 응용 분야는 소위 희귀 세포 검출(rare cell detection) 분야가 될 것입니다. 임상 의학에서는 보통 일반적인 세포들을 다루며, 이러한 세포들을 기반으로 환자의 생리적 상태를 이해하려고 노력합니다.

하지만 실제로 많은 생리학적 또는 병리학적 과정은 수지상 세포, 줄기 세포, 조절 세포, 또는 암의 경우 순환 종양 세포와 같이 훨씬 더 드문 세포들에 의해 제어됩니다. 따라서 우리는 다양한 치료에 대한 반응을 실제로 결정하며 진단 도구로 활용될 수 있는 희귀 세포를 찾는 것에 관심이 있습니다. 즉, 미세유체 기술을 사용하여 칩 위에 세포를 배치함으로써 얻을 수 있는 진단 및 치료 응용 분야의 범위가 매우 넓다는 것입니다.

초기 미세유체역학 연구는 주로 제작에 집중되었으며, 집적 회로형 응용 분야를 위해 개발된 마이크로시스템 기술 도구들을 활용하고, 미세 유세포 분석, 미세 전기영동 시스템, 미세 크로마토그래피 시스템 등을 개발하는 랩온칩(lab-on-a-chip) 개념의 소형화 시스템을 적용하는 데 주력했습니다. 이러한 소형화 연구를 통해 생물학적 시스템을 마이크로시스템과 결합하는 방법에 대해 많은 것을 배울 수 있었습니다. 하지만 지금까지 이 분야에서 부족했던 점은 이른바 블록버스터라고 불리는 주요 응용 사례나, 임상적으로 큰 영향을 미칠 수 있는 이러한 기술들의 성공적인 응용 사례였습니다.

따라서 저희 연구실은 특히 주요 연구 병원에 위치하고 있어, 이러한 기술들의 의미 있고 실질적인 응용 분야를 탐색하고, 기존의 방식으로는 해결할 수 없었던 문제들을 해결할 수 있는 영역을 찾아내는 데 집중하고 있습니다. 예를 들어, 글로벌 보건 응용 분야인 AIDS의 경우, 비용이 매우 저렴하고 일회용으로 사용할 수 있으며, 손가락 끝에서 채취한 전혈로부터 양성 림프구를 찾아낼 수 있는 현장 진단(point of care) 기능을 갖춘 칩을 개발하는 것입니다. 이 기술이 성공한다면 수백만 명의 사람들이 이를 활용하게 될 것입니다.

따라서 이러한 장치들을 제조하고, 규모를 확대하며, 최근 본 연구팀과 해당 분야의 많은 연구자가 집중하고 있는 고영향 애플리케이션에 적용하는 것이 중요합니다. 바로 이 지점에서 임상 의학 및 생물 과학 분야에서 이러한 기술의 유의미한 응용 방법을 찾아냄으로써 분야 내의 비약적인 발전이 이루어질 것이라고 생각합니다. 동일한 도구들이 매우 독창적인 방식으로 탐구되어 세포 간 상호작용 조사, 세포의 환경 신호 반응 조사, 세포 및 조직의 미세환경을 매우 정밀하게 제어하는 것과 같은 기초 생물학적 공정을 다루는 데 활용되고 있으며, 이는 생물학적 반응을 조절하는 근본적인 공정을 이해하는 데 사용될 수 있습니다. 우리가 연구하고 있는 살아있는 라이브러리(living library) 개념과 같은 응용 분야에서는, 서로 다른 유전자를 보고하는 세포 클론들에 표지를 하여 매우 복잡한 미세유체 네트워크에 넣고, 한 번의 실험에서 수천 가지의 서로 다른 조건에 노출시킬 수 있습니다.

또한 spec로 태그된 이 세포들의 실시간 유전자 발현을 모니터링할 수 있으며, 서로 다른 유전자로 태그된 다양한 클론들을 확인할 수 있습니다. 제 견해로 이 분야의 가장 큰 핵심 과제 중 하나는 이러한 기본 과학적 발견이나 소위 멋진 기술들을 어떻게 새로운 치료법이나 유의미한 생물학적 응용 분야로 전환하느냐 하는 것이며, 이는 매우 다학제적인 분야입니다.

응용 분야에 따라 엔지니어, 물리학자, 생물학자, 신경생물학자가 필요합니다. 따라서 제 관점에서는 여러 학문을 연결하는 것이 가장 큰 문제 중 하나였습니다. 초기 발견의 대부분은 생물학적 문제에 대한 충분한 훈련이나 이해가 부족한 엔지니어와 물리학자들에 의해 이루어졌습니다.

하지만 최근 생물학자들 또한 이러한 도구들에 매우 큰 흥미를 느끼고 있으며, 최근 몇 년 사이 서로 다른 학문 분야 간의 격차가 상당히 좁혀지고 있습니다. 이는 생물학계와 저희 연구그룹과 같은 다학제적 연구진 모두가 이러한 도구들을 임상 의학과 생물학에 적용하는 방안을 탐구하고 있기 때문입니다. 제가 보기에 이러한 다학제적 측면은 아이디어의 실현에 영향을 미치는 주요 쟁점 중 하나입니다. 또 다른 하나는 학계와 산업계 사이의 가교 역할입니다.

이러한 아이디어 중 상당수는 학계에서 생성되지만, 이는 매우 복잡하며 세포, 복잡한 생물학적 과정, 그리고 복잡한 공학, 제조 및 패키징 문제를 수반합니다. 따라서 이러한 기술의 상업적 전환은 엄청난 주의가 필요한 사항입니다. 이러한 부담의 일부는 산업계가 짊어지고 있습니다.

산업 분야에서 근본적인 혁신을 이루어내는 것은 간단한 과정이 아니며, 특히 임상 연구와 생물학적 시료가 포함된 경우에는 더욱 그렇습니다. 따라서 이 두 가지 문제, 즉 해당 분야의 다학제적 특성과 학계에서 산업계로의 기술 이전이 우리가 향후 몇 년 동안 해결해야 할 두 가지 주요 과제가 될 수 있습니다. 하지만 이러한 문제들을 연구하는 많은 그룹이 있으며, 저는 이른바 초소형 기술, 즉 의학과 생물학 분야에서의 마이크로 및 나노 기술 응용의 미래가 매우 기대됩니다.