신약개발과 질환기전 연구는 전통적으로 실험동물을 근간으로 하여 진행되어 왔으며, 이를 통하여 인류는 질병을 극복하는 데 있어 큰 진전을 이루어 왔다. 실험동물모델은 인간과의 유사성 덕분에 많은 유용 정보를 제공해 온 것은 사실이지만, 인간과는 다른 측면도 많기 때문에, 좀 더 인간의 병태생리를 잘 모사하는 새로운 실험모델의 필요성이 높아지고 있다. 특히, 21세기 초반 인간유전체프로젝트(human genome project)가 완료되면서, 인간의 유전적 다양성 및 개인의 특성에 반영한 임상의학, 즉 정밀의학이 점점 더 임상 현장으로 진입하여 들어오고 있다. 이러한 전환은 환자의 유전적 특성과 임상정보를 통합하는 방식으로 출발하였으나, 환자맞춤형 약물을 스크리닝한다거나, 환자에 따른 세포 및 유전자치료제를 발굴하는 등 환자유래형 실험모델에 대한 필요성이 점점 증대되고 있다.

미세생리시스템은 인체의 복잡한 조직이나 장기의 구조 및 기능을 모사하는 3차원 배양모델을 통칭하여 이르는 용어이다. 대표적인 3차원 배양모델로는, 오가노이드(organoid)처럼 줄기세포를 뭉쳐 배양하면서 적절한 인자를 처리하여 인체장기와 유사한 구조와 기능을 가지게 만드는 방법이 있다. 또한 장기 온어칩(organ-on-a-chip)처럼 3차원 스캐폴드 내에 세포를 배열하여 배양하는 방식도 있다. 최근에는 오가노이드를 칩 위에서 배양하는 등, 그 경계가 모호해지고 있기 때문에, 이러한 모델들을 통합하여 미세생리시스템으로 통칭하는 경우가 많다. 이러한 미세생리시스템은 조직을 구성하는 세포의 다양성을 반영하고 있으며, 적절한 구조적 지지체의 도움으로 형태적 특성 역시 반영하게 설계할 수 있으므로, 실제 장기와 유사한 기능적 특징을 나타내기에 용이하여, 인간 세포(주로 줄기세포)를 활용하여 환자맞춤형의 장기 모사체를 구현할 수 있는 혁신적인 시스템이다. 따라서 환자의 유전적 특성뿐만 아니라 인체장기의 구조 및 기능적 특성을 동시에 구현할 수 있기 때문에, 맞춤형 정밀의학적 임상 활용의 가능성이 높다.

이번 특집 호에서는 미세생리시스템을 이용하여 환자맞춤형 모델시스템을 구성하는 접근법의 최신 진보와 한계점을 다루어 보고자 한다. 실제 미세생리시스템을 이용하여, 인체 많은 장기를 모사할 수 있으나, 특히 그 완성도가 높아 임상 활용 가능성이 기대되는 두 장기인 피부와 근육 미세생리시스템 사례에 집중하여, 발전 가능성과 제한점을 파악하고자 한다. 미세생리시스템의 가능성과 한계, 이를 통하여 근 미래 임상 현장의 변화를 예측하는 데 본 특집호가 도움이 되기를 기대한다.

Lee 등[1]은 “환자 유래 미세생리학적 시스템의 임상 활용 잠재력”에서 미세생리시스템을 임상에 적용하기 위한 중요한 단계로, 환자 유래 세포를 다양한 형식의 배양계에 도입하여 3차원 배양을 시행하면서 인간 장기의 구조와 기능적 복잡성을 반영하는 개념을 설명하고 있다. 이를 위하여 도입하는 세포의 유래와 종료, 기술적인 다양성 등에 대한 사례와 각 방법의 고려사항과 장단점을 간략하게 요약하고 있다. 이러한 최근의 성공을 바탕으로 하여, 기존 방법들보다 조직의 구조와 특징에 기반하여 보다 정확한 환자 특이적 반응성의 다양성을 감지하고 약물 반응성 선별 등에 활용 가능함을 제시하고 있다. 시스템의 복잡성이 높아지는 것은 표준화나 반복성 등의 문제를 일으킬 수 있으며, 분석 자체의 난이도를 높이는 등의 약점도 존재한다. 이를 개선하기 위한 인공지능(artificial intelligence) 기반이 분석, 기술 진보 등의 향후 전망도 함께 논의하였다. 이러한 설명은 미세생리시스템에 익숙하지 않은 많은 독자들에게도 빠르게 현재 연구의 수준과 미래 전망을 가늠하는 데 도움을 준다.

한편 Kim [2] 등은 "체외 피부 온어칩 모델의 최신 발전 동향" 논문에서, 인공 피부칩(skin-on-a-chip)에 대한 기술적 배경과 현황을 설명하고 있다. 피부 조직은 매우 특화되어 있으며, 상대적으로 단순한 구조와 기능을 담당하고 있기 때문에, 체외 3차원 배양기술로 모사하는 난이도가 상대적으로 낮다. 따라서 미세생리시스템으로 개발되고, 활용되어 온 역사가 깊다. 이 논문에서는 피부 조직의 구조와, 이를 모사해 온 다양한 사례를 설명하고 있으며, 최근에 이르러 피부와 타 신체장기를 통합하여, 좀 더 복잡한 인체모사에 성공한 사례들을 설명하고 있다. 복잡한 모사는 특히 약물대사나 면역반응 등 피부 자체의 기능을 넘어 다종 장기의 상호작용에 의하여 진행되는 병태생리를 모델링하는데 유용하다. 이러한 시도 역시 궁극적으로 환자맞춤형 정밀의료의 발달에 기여할 것이다.

마지막으로 Jang과 Jin [3]은 “ 미세생리시스템을 사용한 인체 골격근 모델링”에서 미세생리시스템을 이용한 근육 연구를 소개하고 있다. 근육계 역시 인체 조직 중 상대적으로 단순한 세포 조성과 구조를 가지고 있으며, 근 수축처럼 그 기능이 한정적인 만큼, 미세생리시스템으로 구현하기에 유리한 측면이 있다. 미세생리시스템은 근섬유의 배열상태를 모사하고, 이를 통하여 2차원 배양으로는 구현할 수 없는 장점을 제공하게 된다. 특히 다양한 근 수축에 따른 물리적 계측을 가능하게 하기 때문에 미세생리시스템을 통하여 기능을 정량화 하여 분석하는 데 큰 도움을 준다. 이러한 개선은 대량 고속 분석과 같은 약물개발에 필수적인 방법론과 접목하기에 유리하므로, 재생의학이나 근육계 관련 질환 모델링을 통한 약물 스크리닝 등에 활용 가능하다. 이 논문에서는 이에 더하여, 혈관계 또는 신경계 등과 연결하여 보다 정밀한 모델링을 수행하는 각종 사례를 제시하고 있다.

세 논문 모두에서, 미세생리시스템의 현주소와 기술적인 가능성과 한계를 임상적 적용의 맥락에서 잘 설명하고 있다. 주지하다시피, 현재 미세생리시스템은 정밀의학적 임상적용보다는 정밀한 질환 모델링과 이를 대량스크리닝 체계로 발전시키기 위한 연구가 가장 활발하다. 이는 대체적으로 미세생리시스템을 실험동물 대체 모델로 간주하고, 이를 구현하기 위한 연구가 많기 때문으로 생각된다. 이 경우, 한두 종류의 줄기세포를 대량으로 복제하여 동일한 모델을 필요에 따라 대량 생산하고 분석하는 것이 필요하다. 한편, 정밀의학적 임상적용을 위해서는 개별 환자로부터 얻은 다양한 종류의 줄기세포를 각각 미세생리시스템에 적용하여 모델을 구현해야 하기 때문에, 해결해야 할 기술적 목표가 다소 상이할 수밖에 없다. 이러한 측면을 염두에 두고, 이번 특집 호를 통하여 주요 성공사례와 기술적 지향점 등을 비교하면서 읽어보는 것을 권고한다.

3차원 배양을 통한 미세생리시스템을 실험동물을 대체하는 모델로 간주하는 경우가 많으나, 실제로는 인간을 대체하는 모델로 실험동물을 사용해 왔다는 점을 고려할 때, 미세생리시스템이야말로 가장 진보한 인간 대체 모델이라 할 수 있다. 보다 정확하게 환자의 병태생리를 반영할 수 있으며, 진단 및 약물 스크리닝 등에 활용 가능하도록 대량 생산이 가능하기 때문이다. 아직은 이러한 변화가 임상 현장에서 쉽게 느껴질 단계는 아니지만, 기술적 한계가 극복되고, 이를 구현하기 위한 다양한 산업적 기반이 조성되는 과정을 거쳐, 조만간 큰 발전이 있을 가능성이 높다. 이러한 변화를 주의 깊게 살펴보면서 새로운 변화를 즐기고 적극 참여하는 것도 중요하다고 생각된다. 마지막으로, 이번 특집 호에서는 피부와 근육에 집중하여 현황을 살펴보았으나, 다른 장기를 모사하는 미세생리시스템이나 암 오가노이드 기반 시스템 역시 놀라운 발전이 진행되고 있으므로, 관심을 가졌으면 좋겠다.