Surface engineering of PDMS using gelatin-polyvinyl alcohol for renal cell-compatible microfluidic applications

신장암은 신체의 세포가 혈액을 여과하는 장기인 신장을 공격하게 되는 복잡한 질병입니다. 더 나은 치료법을 찾기 위해 과학자들은 인체를 모사하는 방식으로 살아있는 세포에 약물을 테스트해야 합니다. 수십 년 동안 연구자들은 이러한 세포를 평평한 플라스틱 접시에서 키워왔지만, 이 정적인 환경은 결정적인 세부 사항을 놓치고 있습니다. 실제 인체 내에서 세포는 영양분을 운반하고 노폐물을 제거하는 흐르는 유체에 끊임없이 잠겨 있다는 점입니다. 또한 이 흐름은 세포에 부드러운 물리적 압력을 가하며, 이는 세포의 행동 방식과 약물에 대한 반응을 변화시킬 수 있습니다. 이를 연구하기 위해 과학자들은 미세유체 칩이라고 불리는 아주 작은 장치를 사용하는데, 이는 본질적으로 투명하고 유연한 플라스틱으로 만들어진 미세한 배관 시스템입니다. 이 칩을 통해 연구자들은 미세한 채널을 통해 유체를 펌프질하여 세포가 실시간으로 살아가고 반응하는 모습을 관찰할 수 있습니다. 그러나 이 칩을 만드는 데 사용되는 플라스틱은 본래 물을 밀어내는 성질이 있어, 세포가 표면에 달라붙어 제대로 성장하는 것을 어렵게 만듭니다. 세포가 부착되지 못하면 실험은 실패합니다. 따라서 과제는 이 플라스틱을 섬세한 신장 세포가 번성할 수 있을 만큼 친화적으로 만들면서도, 액체의 흐름을 일정하고 예측 가능하게 유지하는 것입니다.

최근 한 연구에서 연구자들은 신장 세포를 지원하도록 특별히 설계된 미세유체 칩을 위한 새로운 표면을 만들어 이 문제를 해결하고자 했습니다. 그들은 투명하고 유연하며 모양을 만들기 쉬워 이 작은 장치를 만드는 데 표준적으로 사용되는 재료인 폴리디메틸실록산(PDMS)이라는 물질에 집중했습니다. 처리되지 않은 PDMS의 문제는 물을 밀어내는 소수성, 즉 우비가 비를 밀어내는 것과 같이 물을 거부한다는 점입니다. 살아있는 세포는 생존을 위해 물이 필요하기 때문에, 이 미끄러운 표면에 부착되는 데 어려움을 겪습니다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 두 가지 흔한 물질로 만든 코팅을 개발했습니다. 하나는 콜라겐에서 유래하여 세포가 잘 붙도록 돕는 젤라틴이고, 다른 하나는 표면을 더 젖게 만드는 친수성 고분자인 폴리비닐 알코올입니다. 그들은 어떤 조합이 신장 세포를 가장 잘 퍼뜨리고 성장시키는지 확인하기 위해 평평한 플라스틱 시트에 이 재료들을 다양한 비율로 테스트했습니다. 그들은 두 물질의 혼합물이 각각 단독으로 사용되었을 때보다 더 효과적이며, 물을 밀어내는 표면을 세포를 환영하는 표면으로 바꾼다는 것을 발견했습니다.

최적의 코팅을 식별한 후, 연구자들은 이를 실제로 테스트하기 위해 3채널 미세유체 장치를 제작했습니다. 이 설계는 세포를 키우기 위한 두 개의 측면 채널과 유체 또는 약물을 전달하기 위한 하나의 중앙 채널로 구성되었습니다. 연구진은 세 장의 플라스ax 시트를 층층이 쌓고, 누출을 방방지하기 위해 특수 플라즈마 처리를 통해 이들을 결합하여 장치를 제작했습니다. 장치가 제대로 작동하는지 증명하기 위해, 그들은 분당 10 마이크로리터의 속도로 녹색 염료를 채널을 통해 펌프질했습니다. 염료는 누출되거나 막히는 곳 없이 전체 네트워크를 통해 매끄럽게 흘러갔으며, 이는 미세한 배관이 온전함을 확인시켜 주었습니다. 그 후 연구진은 이 채널 내부의 물리적 조건을 계산했습니다. 흐름은 느리고 일정했으며, 초당 약 1.59 밀리미터의 속도로 이동했습니다. 채널이 매우 좁고 유체가 매우 느리게 움직였기 때문에, 물은 무질서하게 소용돌이치기보다는 '층류(laminar flow)'라고 알려진 매우 예측 가능하고 부드러운 방식으로 움직였습니다. 채널 벽을 밀어내는 물의 힘은 매우 부드러웠으며, 약 0.059 파스칼을 측정했는데, 이는 섬세한 세포에 해를 끼치지 않을 수준의 압력입니다.

장치가 누출이 없고 흐름 조건이 확립된 것을 확인한 후, 연구팀은 생물학적 테스트를 진행했습니다. 그들은 채널 내부를 젤라틴과 폴리비닐 알코올 혼합물로 코팅한 다음, 시스템에 신장 암세포를 도입했습니다. 현미경 관찰 결과, 세포들이 코팅된 벽에 퍼지고 부착되는 것이 확인되었는데, 이는 표면이 생명 친화적임을 나타냅니다. 세포가 건강한지 확인하기 위해 연구진은 살아있는 세포는 녹색으로, 죽은 세포는 붉은색으로 빛나는 특수 염색법을 사용했습니다. 영상은 거의 붉은색 없이 강한 녹색 빛을 보여주었으며, 이는 세포가 칩 내부의 복잡하고 폐쇄된 환경에 배치된 후에도 살아있고 건강하다는 것을 나타냈습니다. 이는 새로운 코팅이 단순히 평평한 접시뿐만 아니라 칩 내부의 복상한 환경에서도 생명을 지탱할 수 있음을 입증하는 중요한 단계였습니다.

세포가 치료에 어떻게 반응할지 이해하기 위해, 연구진은 동일한 유형의 세포를 일반적인 평평한 접시에서 사용하는 표준 약물 테스트도 수행했습니다. 그들은 암세포와 대조군인 비암성 신장 세포를 두 가지 다른 약물인 5-플루오로유라실(5-fluorouracil)과 하이드록시클로로퀸(hydroxychloroquine)에 노출시켰습니다. 결과에 따르면, 암세포는 다른 약물보다 5-플루오로유라실에 훨씬 더 민감하게 반응했으며, 비암성 세포보다도 이 약물에 더 민감했습니다. 이는 5-플루오로유라실이 건강한 세포를 덜 해치면서 암세포를 죽일 수 있는 잠재력이 있음을 시사합니다. 이러한 약물 테스트는 미세유체 칩이 아닌 평평한 접시에서 수행되었지만, 이는 예상되는 결과를 파악하기 위한 기준점을 제공했습니다. 이 연구는 아직 이 약물들을 미세유체 칩 내부에서 실행하거나, 지속적인 흐르는 조건 하에서 장기간 세포를 테스트하지는 않았습니다. 대신, 이 작업은 표면 공학이 성공적이었으며 장치가 살아있는 세포를 보유할 수 있다는 것을 보여주는 '개념 증명(proof of concept)' 역할을 했습니다.

본 연구는 젤라틴과 폴리비닐 알코올을 혼합함으로써 미세유체 칩의 표면을 신장 세포에게 우호적인 환경으로 변모시키는 것이 가능하다는 결론을 내립니다. 이러한 진전은 과학자들이 암세лу와 건강한 신장 세포를 동일한 장치 내에 나란히 키우고, 동일한 흐르는 약물에 노출시켜 각 그룹에 치료가 정확히 어떻게 영향을 미치는지 관찰할 수 있는 미래 실험의 토대를 마련합니다. 연구진이 아직 칩 내부에서 이러한 비교 약물 테스트를 수행하지는 않았지만, 그들은 누출 없는 장치, 부드럽고 제어된 흐름, 그리고 세포가 살고 자랄 수 있는 표면이라는 필수적인 기초를 확립했습니다. 이러한 재료 과학과 유체 역학의 결 сочета은 이 분야가 새로운 암 치료법을 테스트하기 위한 실제적인 인간 신장의 축소 모델을 만드는 데 한 걸음 더 다가가게 합니다.