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커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 310(2023) 이 기사 인용

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비알코올성 지방간 질환(NAFLD)은 인구의 상당 부분을 괴롭히고 있습니다. 그러나 체외 분석 및 동물 실험 모델의 부적합으로 인해 효과적인 치료법이 아직 확립되지 않았습니다. 여기에서는 미세유체를 통해 상호 연결된 인간 장과 간 세포주를 공동 배양하여 장-간 축(GLA)의 시험관 내 인간 모델인 iGLC(Integrated-Gut-Liver-On-A-Chip) 플랫폼을 제시합니다. 각각 1일과 7일 동안 유리지방산(FFA)으로 치료하여 NAFLD의 시작과 진행을 위한 폐쇄 순환 루프. 공동 배양된 Caco-2 장-모방 세포 및 HepG2 간세포 유사 세포는 FFA 치료에 대한 세포사멸로부터 보호 효과를 나타내는 반면, 단일 배양 세포는 유도된 세포사멸을 나타냅니다. 표현형 및 유전자 발현 분석에 따르면 FFA 처리된 장 및 간 세포는 세포내 지질 방울을 축적하고 구리 이온 및 소포체 스트레스에 대한 세포 반응과 관련된 유전자 발현의 증가를 보여줍니다. 시험관 내 인간 GLA 모델인 iGLC 플랫폼은 NAFLD의 메커니즘을 조사하기 위한 동물 실험의 대안 역할을 할 수 있습니다.

비알코올성 지방간 질환(NAFLD)은 간 지방증, 간경변, 암 및 심혈관 질환을 유발하는 흔한 만성 간 질환입니다1,2,3,4. NAFLD는 20305년까지 미국 15세 이상 인구의 33.5%에 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 현재 간 이식은 중증 간 질환 환자를 치료할 수 있는 유일한 방법이며 환자와 일치하는 기증자를 찾는 것이 극히 어렵습니다. 지방간 질환의 다양한 단계에 대한 개입이 시급히 필요합니다. 그러나 다중 적중 이론으로 알려진 여러 층에서 발생하는 복잡한 과정으로 인해 질병 메커니즘은 거의 알려져 있지 않습니다. 예를 들어, 지방 축적, 산화 스트레스, 소포체(ER) 스트레스, 유전적 또는 후생적 변형은 세포 수준에서 발생할 수 있는 반면, 인슐린 저항성과 염증 반응은 개인과 환경에 따라 여러 기관에서 발생할 수 있습니다6. NAFLD의 새로운 치료법을 찾기 위해서는 각 과정에 대한 깊은 이해가 필요하며, 이렇게 축적된 지식이 결합되어야 합니다.

이 연구에서 우리는 NAFLD의 시작과 진행에 가장 중요한 구성 요소 중 하나인 장-간 축(GLA)에 중점을 두었습니다7,8. 장은 장내 미생물군과 식이성 탄수화물에 의해 크게 영향을 받으며, 이는 NAFLD를 가속화할 수 있습니다9,10,11. 장 장벽을 통해 음식과 미생물군에서 흡수된 염증 산물, 영양소, 물질은 정맥혈을 통해 간으로 운반됩니다. 또한 간세포에서 생성된 생성물은 소장으로 운반됩니다. 따라서 장과 간은 생리학적으로나 병리학적으로 복잡하게 연결되어 있습니다. NAFLD로 인한 장내 미생물 불균형, 박테리아 과증식 및 점막 투과성 변화를 포함한 GLA 기능 장애는 잠재적인 치료 표적이지만 현재까지 상업적으로 이용 가능한 치료법은 없습니다. 이는 기존의 전임상 동물실험이 다중 적중 이론의 문제점을 정확하게 대변하지 못하고, 살아있는 동물의 개별 장기에 대한 접근성이 부족하고, 종의 차이가 있기 때문이 크다. 따라서 NAFLD에서 GLA를 연구하기 위한 단순화되고 강력한 모델을 확립하는 것은 신약, 치료법 및 진단 도구의 발견에 기초가 되는 메커니즘에 대한 더 깊은 통찰력을 얻는 데 중요합니다.

미세생리학적 시스템(MPS)으로도 알려진 장기 온 칩(OOC)은 체외 전임상 테스트14,15,16,17 및 질병 모델링18에 상당한 잠재력을 가지고 있습니다. 미세유체 기술은 액체 흐름의 정밀한 제어와 흐름 채널의 3차원 구조를 가능하게 하기 때문에 OOC의 기초입니다. 이러한 특성은 OOC에 세포 미세 환경을 시공간적으로 제어하고 조직 세포를 기능화하는 능력을 부여합니다. 세포 배양 배지의 순환은 측분비 및 내분비 신호 전달과의 다중 기관 상호 작용을 모델링하는 데 추가로 도움이 될 수 있습니다. 고함량 분석 및 오믹스 접근법과 같은 고급 세포 분석과 결합된 OCC는 동물 실험보다 정량적 및 다중 매개변수 방식으로 생물학에 대한 더 심층적인 통찰력을 제공합니다19. OOC는 시험관 내에서 GLA를 요약하고 체외 약동학 연구를 위해 지방간 질환20,21 및 염증22을 포함한 병리학적 상황에서 GLA를 통한 누화의 역할을 입증하는 데 사용되었습니다. 그러나 OOC는 GLA를 모방하기 위해 더욱 개선되어야 하며 이를 위해서는 폐쇄 순환 루프, 개별 챔버에 대한 접근성, 동적 흐름 제어 및 분자 흡수 방지라는 네 가지 주요 기능이 필요합니다. 폐쇄 순환 루프는 GLA에서 조직 간 상호 작용을 요약하기 위해 중간 순환에 필요합니다. 조직 세포를 원하는 챔버에 도입하고 다른 세포로부터 교차 오염 없이 처리 후 수확하려면 개별 접근성이 필요합니다. 폐쇄 순환 루프와 개별 접근성은 모순되는 특징으로 보일 수 있지만 장과 간 사이의 누화를 조사하려면 둘 다 필요합니다. 동적 흐름 제어는 특히 장의 경우 시험관 내에서 기능성 조직 세포를 얻는 데 중요합니다. 일부 OOC에서는 다공성 막으로 분리된 두 가지 이상의 유형의 세포를 공동 배양하기 위해 추가적인 세포 배양 삽입물(예: Transwell)을 사용해야 합니다. 그러나 배지의 거시적 범위로 인해 이러한 삽입물은 미세 가공에 활용될 수 없으며 종종 세포 배양 챔버 및 세포 미세 환경의 흐름 역학에 대한 제어와 같은 미세 유체 기술의 장점이 부족합니다. 이러한 추가 삽입물은 작동 거리와 막 공극에 의한 광 회절을 증가시키기 때문에 세포의 현미경 관찰을 방해하는 경우가 많습니다. 폴리디메틸실록산(PDMS)은 생체적합성, 투명성 및 탄성 특성으로 인해 미세유체 세포 배양 시스템에 널리 사용되는 재료입니다. 그러나 PDMS는 세포 표현형 및 분석 결과에 영향을 미칠 수 있는 대사산물, 호르몬, 약물 후보, 지방산, 지질 및 형광 지표를 포함한 소수성 분자의 흡수를 유발하므로 PDMS 흡수를 방지하는 것이 필요합니다. 유리지방산(FFA)은 NAFLD의 중요한 요소입니다. 이전에 보고된 시험관 내 GLA 모델을 포함하여 PDMS 기반 미세유체 세포 배양 시스템은 위에서 언급한 GLA에 대한 OOC 문제를 해결하지만 소수성 분자의 흡수를 방지하기 위한 처리가 없는 PDMS 기반 플랫폼은 NAFLD 재현에 적용할 수 없습니다.