3D 세포 배양
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1. 개요
3D 세포 배양은 20세기 초 알렉시 카렐의 연구에서 시작되어, 세포의 생체 내 환경을 모방하여 조직의 구조와 기능을 재현하는 기술이다. 3차원 세포 배양은 크게 지지체 기반 기법과 지지체 미사용 기법으로 나뉘며, 하이드로젤, 오가노이드, 스페로이드, 클러스테로이드, 생물 반응기 등이 활용된다. 3D 세포 배양은 2D 배양보다 생체 내 약물 대사 과정을 더 잘 반영하여 약리학 및 독성학 연구에 활용되며, 고속 대량 스크리닝에도 적용된다. 하지만, 프로토콜 표준화, 분석법 부족, 기술적 한계, 윤리적 문제 등 해결해야 할 과제도 존재한다.
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2. 역사적 배경
3차원 세포 배양은 20세기 초 알렉시 카렐의 연구에서 시작되었다.[133][3] 1980년대 미나 비셀 팀은 세포 외 기질의 중요성과 생리학적으로 모사된 다세포 구조를 생성하기 위한 인공적인 3D 환경에서의 배양의 필요성을 강조하였다.[134][4][106] 이들 연구는 세포 외 기질의 중요성과 건강하고 암성을 가진 유방 조직 모델에서 선방 구조와 같은 다세포 구조를 생성하는 데 초점을 맞췄다.
3D 세포 배양은 2D 세포 배양에 비해 생체 내 환경을 더욱 정확하게 모사하여 여러 장점을 가진다. 3D 배양은 세포-세포, 세포-기질 상호작용, 영양분 수송 방법 등 생체 내와 유사한 환경을 제공한다.[136]
1988년 에릭 시몬(Eric Simon)은 전기방사를 이용하여 세포 배양 및 조직 공학에 사용될 수 있는 나노 및 서브마이크론 크기의 폴리스티렌 및 폴리카보네이트 섬유(Scaffolds)를 생산하는 3D 세포 배양 기법을 보고하였다.[135][5] 이 연구에서 인간 포피 섬유아세포(HFF), 형질전환된 인간 암종(HEp-2) 및 밍크 폐 상피(MLE)를 포함한 다양한 세포 유형이 섬유에 부착되어 증식하는 것을 확인하였다. 특히, 2차원 배양에서 보이는 평평한 형태와 달리, 전기방사 섬유에서 성장한 세포는 둥근 3차원 형태를 보였다.
3차원 세포 배양 기술은 약물 반응을 평가하는 생체 외(In vitro) 질병 모델 제작에 활용되었다.[134] 또한, 3차원 세포 배양은 조직 항상성과 암을 조절하는 메커니즘에 대한 중요한 통찰력을 제공하고,[6] 암 생물학 및 조직 공학 분야에서 번역 연구를 가속화했다.[7]
3. 3D 세포 배양의 가치
2D 배양과의 차이점:
3D 세포 배양의 장점:
이러한 장점들 덕분에 3D 세포 배양은 신약 개발, 질병 모델링, 재생 의학 등 다양한 분야에서 활용 가치가 높다. 특히, 약물 독성학 스크리닝에서 3D 배양된 세포의 유전자 발현을 테스트하는 것이 2D 배양보다 훨씬 유용하다.[136]
4. 3D 세포 배양 방법의 분류
3차원 세포 배양 방법은 크게 '''지지체 기반 기법'''과 '''지지체 미사용 기법'''으로 나눌 수 있다. 지지체 기반 기법은 세포외기질(ECM)을 인공적으로 만들어 세포를 3차원적으로 배양하는 방법이며, 지지체 미사용 기법은 세포외기질 역할을 하는 구조체를 사용하지 않고 세포를 3차원 형태로 키우는 방법이다.
지지체 기반 기법에는 고체 지지체, 하이드로젤 등의 재료가 사용되며, 오가노이드를 제작하는 방법도 포함된다. 지지체 미사용 기법에는 낮은 부착 플레이트, 행잉 드롭 플레이트, 마이크로패턴 표면, 회전 생물반응기, 자기 부상, 자기 3D 바이오프린팅 등이 있다.
4. 1. 지지체 기반 (Scaffold) 기법
세포외기질(ECM)은 세포를 구조적으로 지지하고 결합을 유지하는 역할을 한다. 지지체 기반(Scaffold) 기법은 이러한 세포외기질을 인공적으로 만들어 세포를 3차원적으로 배양하는 방법이다.[132]지지체는 조직 공학 등 다양한 분야에서 활용되며, 기공 분포, 표면적, 다공성 등에 따라 효과가 달라진다. 이러한 요소들은 세포가 지지체에 침투하는 깊이와 속도, 세포 외 기질 구조, 재생 과정의 성공에 영향을 미친다.[27] 지지체는 제조 방법에 따라 무작위 또는 정밀하게 설계된 기공 분포를 가질 수 있으며,[28] 최근에는 컴퓨터 제어 급속 조형 기술을 이용해 정교한 기하학적 구조를 가진 지지체를 만들기도 한다.[29]
지지체 기술에는 고체 지지체, 하이드로젤 등의 재료가 사용된다. 뼈의 골화 과정을 연구하기 위해 ''생체 외'' 아가로스 겔 3D 모델을 만들어 인간 CD34+ 줄기 세포의 가능성을 탐구한 연구도 있으며,[25] 종양 세포 외부에서 섬유아세포를 배양하여 종양 스트로마 상호 작용을 모방한 미세 조직 3D 모델을 제작하는 데에도 사용될 수 있다.[26]
4. 1. 1. 하이드로젤 (Hydrogel)
구조체(Scaffold) 재료로 쓰이는 하이드로젤에는 콜라겐, 아가로스와 같은 천연 하이드로젤과 PLGA로 이루어진 합성 하이드로젤이 있다. 세포와 하이드로겔을 섞어서 접시에 분주하면 하이드로겔 분자들 사이의 결합이 물에서 부풀면서 3차원 구조를 이룬다. 이 구조 안에서 세포가 3차원 구조를 이루게 된다. 특정 전하, 이온, 온도에 의해 구조를 이루는 하이드로겔로 종류가 나누어진다.[144]세포 외 기질(ECM)은 세포의 생존, 증식, 분화, 이동에 중요한 역할을 한다. 천연 세포 외 기질의 구조를 모방한 다양한 하이드로겔 매트릭스는 ''생체 내''를 모방한 세포 배양에 적합하다고 여겨진다.[30][31][32][124][125] 하이드로겔 구조는 높은 보수성을 가지는 상호 연결된 미세한 구멍을 가지고 있어 영양소, 가스 등이 효율적으로 확산된다. 3차원 세포 배양에 사용될 수 있는 하이드로겔은 천연 재료나 합성 재료에서 유래한 여러 종류가 있으며, 동물 세포 외 기질 추출 하이드로겔, 단백질 하이드로겔, 펩타이드 하이드로겔, 폴리머 하이드로겔, 목재 기반 나노셀룰로오스 하이드로겔 등이 있다.
4. 1. 2. 오가노이드 (Organoid)
메트리젤을 지지체로 사용하는 방법이다. 메트리젤은 세포외기질로 콜라겐-라미닌을 포함하는 점성이 높은 지지체이다. 성장인자들과 같이 오랜 기간 배양하여 인체 장기와 기능, 모양이 유사한 장기유사체(오가노이드)를 만드는 방법이다. 기존의 3차원 배양들과 다르게 장기들을 이루는 여러 세포들이 모여서 장기와 유사한 형태를 이룬다.4. 2. 지지체 미사용 (Scaffold-free) 기법
지지체 미사용(Scaffold-free) 기법은 세포외기질 역할을 하는 구조체를 사용하지 않고 세포를 3차원 형태로 키우는 방법이다. 이 방법에는 낮은 부착 플레이트, 행잉 드롭 플레이트, 마이크로패턴 표면, 회전 생물반응기, 자기 부상, 자기 3D 바이오프린팅 등이 있다.4. 2. 1. 정적 현탁 배양 (Static suspension)
2D에서는 세포를 바닥에 부착하여 기르는 형태인데, 정적 현탁 배양(Static suspension)은 세포가 배양 용기 바닥에 부착하지 못하도록 특수 코팅하는 방법이다. 1.5% 한천을 접시에 코팅하여 세포 부착을 방지하고, 혈청을 넣지 않고 성장인자가 많은 배양액에서 부유 세포를 3차원적으로 배양할 수 있다.[145]4. 2. 2. 스피너 생물반응기 배양 (Spinner bioreactor culture)
1970년대에 듀랜드(Durand)와 서덜랜드(Sutherland)가 고안한 방법으로, 스피너(Spinner)를 이용하여 세포를 계속 움직이게 해 배양액에서 서로 친화성이 높은 세포들이 모여 자라게 하는 방법이다.[145] 많은 양의 균일한 세포 덩어리를 만들 때 사용하는 방법이다.[145] 단점으로는 계속 움직이는 배양액에서 생기는 거품 때문에 세포가 손상될 수 있다는 점이 있다.[145]4. 2. 3. 스페로이드 (Spheroids)
스페로이드(Spheroids)는 2차원 세포 모델에 비해 살아있는 세포의 환경 조건을 더 잘 모사하는 3차원 세포 모델로, 특히 세포 간의 반응과 세포와 기질 사이의 반응을 나타낸다.[146] 스페로이드는 세포의 생리학적 특성 변화, 건강한 세포와 종양 세포의 구조 차이, 종양 형성 시 세포에 일어나는 변화에 대한 연구에 유용하다.[147] 예를 들어, 젖샘 종양 세포(breast tumor cell)와 섬유아세포(fibroblast)로 각각 스페로이드를 제작한 후 공동배양을 통해 암세포가 정상 세포와 상호 작용하는 방식을 3D 배양 시스템을 통해 보여주었다.[148]스페로이드 제작에는 일반적으로 저부착(Ultra low attachment) 96웰 플레이트를 사용하여 세포 플레이트의 둥근 바닥에 응집체가 형성되는 회전 타원체 배양을 대량 생산한다. U 또는 V 모양을 가진 웰(Well)에 세포를 배양하면서 원심력을 이용하여 뭉치게 하는 방법이다.
또 다른 방법으로는 행잉 드롭(Hanging drop)이 대표적이다. 행잉 드롭은 세포를 방울 형태로 거꾸로 매달아서 중력으로 인해 세포가 방울의 바닥 쪽으로 모여 스페로이드를 이루는 방법이다. 단점으로는 방울이 떨어질 수 있고 한 번에 10-20μl 정도 밖에 만들지 못해 많은 양의 세포를 한 방울에 담을 수 없다.[145]
최근, 일부 프로토콜은 균일하고 신뢰할 수 있는 스페로이드를 생산하기 위해 표준화되었다.[149] 3D 세포 배양을 위한 표준화되고 경제적이며 재현 가능한 방법을 찾고자 했으며,[150] 스페로이드 실험의 재현성과 투명성을 향상시키기 위해 국제 컨소시엄에서 MISpheroID (Minimal Information in Spheroid Identity)를 개발했다.[151]
4. 2. 4. 클러스테로이드 (Clusteroids)
클러스테로이드는 스페로이드와 유사한 3차원 세포 모델링의 한 유형이지만, 생성 방식에 따라 구별된다. 표면 장력과 삼투 수축을 사용하여 세포를 조밀한 클러스터로 묶은 다음, 이를 수화 젤에서 조직 공학 또는 오가노이드로 배양하는 수중-수중 피커링 유화 시스템에서 세포 클러스터로 성장한다.[48][49]혈관이 없으면 괴사 핵 형성 과정에서 산소 투과성이 저하되어 3D 세포 배양의 생체 외 사용을 방해한다. 이 문제를 극복할 수 있는 유화 템플릿이 있다. 이 접근 방식을 통해 연구자들은 세포 구성을 조절하여 공동 배양된 클러스테로이드 내에서 다양한 혈관 형성 단백질 마커의 합성을 촉진하는 이상적인 조건을 달성할 수 있었다.[49] HUVEC 세포는 혈관 내피 성장 인자(VEGF) 또는 혈관 생성을 유도하는 다른 물질의 외부 도입 없이, Matrigel에서 내피 세포 싹을 생성하여 Hep-G2 세포 및 그 유도체의 존재에 반응을 보인다.[50][51] 이 배양 기술의 복제는 다양한 세포 공동 배양 스페로이드를 생성하는 데 간단하다.[52] w/w 피커링 유화 템플릿은 3D 공동 배양 모델 구축에 크게 기여하며, 약물 테스트 및 조직 공학 분야에서 상당한 잠재력을 제공한다.[53]
4. 3. 생물반응기 (Bioreactors)
3D 세포 배양에 사용되는 생물 반응기는 3차원에서 세포를 배양할 목적으로 특별히 설계된 작은 플라스틱 원통형 챔버이다. 이 생물 반응기는 높은 수준의 영양분을 유지하는 환경에서 구형 세포를 둘러싸기 위해 생물 활성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 멤브레인과 같은 생물 활성 합성 물질을 사용한다.[54][55] 챔버는 열고 닫기가 쉬워 세포 구형체를 검사를 위해 제거할 수 있지만, 챔버는 전체적으로 100% 습도를 유지할 수 있다.[1] 이 습도는 최대 세포 성장과 기능을 달성하는 데 중요하다. 생물 반응기 챔버는 3차원 모든 방향에서 균등한 세포 성장을 보장하기 위해 회전하는 더 큰 장치의 일부이다.[1] MC2 Biotek은 세포 챔버 내에서 높은 산소 수준을 유지하기 위해 기체 교환을 사용하는 원시 조직을 배양하는 생물 반응기를 개발했다.[56] 이는 이전 생물 반응기보다 개선된 것으로, 더 높은 산소 수준이 세포의 성장과 정상적인 세포 호흡을 돕기 때문이다.[15]조직 공학(TE) 회사, 학술 기관 및 산업 파트너 간의 협력 노력을 통해 연구 중심 생물 반응기를 효율적인 상업 제조 시스템으로 전환할 수 있다.[57] 학술 협력자는 기초적인 측면을 기여하고, 산업 파트너는 필수 자동화 요소를 제공하여 규제 표준 및 사용자 친화성을 보장한다.[58] REMEDI, AUTOBONE, STEPS와 같은 유럽의 확립된 컨소시엄은 자가 세포 기반 이식편의 엔지니어링을 간소화하기 위한 자동화 시스템 개발에 중점을 둔다.[59] 목표는 규제 기준을 충족하고 비용 효율성을 보장하여 조직 공학 제품의 임상 접근성을 높이고 TE의 변환 패러다임을 연구에서 경쟁력 있는 상업 분야로 발전시키는 것이다.[60]
족장(足場) 프리 기술은 족장을 사용하는 것과는 독립적인 별도의 접근 방식을 채택한다. 족장 프리 방법에는 예를 들어 드롭 플레이트, 마이크로 패턴화 표면, 회전 바이오리액터 사용, 자기 부상, 그리고 magnetic 3D bioprinting|자기 3D 바이오 프린팅영어 등이 있으며, 그 외에도 다양한 기술이 개발되고 있다.
5. 미세유체공학 (Microfluidics)
인체 내 다양한 세포 구조는 생존을 위해 영양분 공급과 기체 교환을 받아야 하므로 혈관이 필요하다. 마찬가지로, 시험관 내 3D 세포 배양은 특정 수준의 유체 순환을 필요로 하는데, 이는 세포가 모두 적절한 영양분 노출을 받지 못할 수 있는 밀집된 3D 배양에서 문제가 될 수 있다. 이는 간이 고도로 혈관화된 기관이기 때문에 간세포 배양에서 특히 중요하다.[62] 한 연구에서는 간세포와 혈관 세포를 콜라겐 겔 지지체 위에서 미세 유체 채널 사이에 함께 배양하여, 정적 환경과 흐르는 환경에서 세포의 성장을 비교했고, 조직과 미세 혈관 네트워크를 갖춘 모델의 필요성을 보여주었다.[62] 또 다른 연구에서는 현수 드롭 기반 스페로이드 공동 배양 장치가 유용할 수 있으며, 미세 유체 현수 드롭 장치의 인접 채널에서 두 개의 다른 세포 스페로이드를 생성하고, 융합하는 액적으로 스페로이드를 공동 배양하여 종양 유발 혈관 신생을 모니터링할 수 있음을 보여주었다.[63]
미세 유체 기술의 활용은 복잡한 미세 규모 구조의 생성과 매개변수의 정밀한 조작을 용이하게 하여, 생체 내 세포 환경을 모방할 수 있게 한다. 미세 유체 기술과 3D 세포 배양의 통합은 생체 내 조직 특성을 재현하려는 응용 분야에 상당한 잠재력을 가지고 있으며, 특히 발전하고 있는 칩 기반 장기 시스템이 그 예이다.[61]
미세 유체 3D 세포 배양은 생의학 연구 및 조직 공학 분야에서 잠재적인 응용 가능성을 가지고 있어, 관심이 증가하는 분야이다. 그러나, 그 발전에는 몇 가지 어려운 과제가 따른다.[64] 그러한 과제 중 하나는 마이크로 시스템 내에서 배양된 세포에 접근하기 어렵다는 점과, 후속 분석을 위한 샘플 추출의 복잡성에 기인한다.[65] 또한, 생체 내와 유사한 세포 대사 및 기능 연구, 그리고 신약 개발에 전념하는 방법론 및 장치의 개발은 미세 유체 3D 세포 배양 장치에 상당한 장애물을 제시한다.[66] 또 다른 주목할 만한 장애는 기존 생물학 실험실에서 미세 가공 기기의 가용성이 제한적이라는 것이다. 더욱이, 성숙하고 사용자 친화적인 미세 유체 장치의 상용화는 상당한 과제를 제기하며, 생물학자들이 이에 접근하는 것을 방해한다.[67] 마지막으로, 생물학자들은 종종 최적의 재현성을 갖춘 고처리량 분석 도구를 찾지만, 미세 유체 기술은 병렬 분석의 잠재적 실현 가능성에도 불구하고 이러한 요구를 충족하는 데 기술적인 제약을 겪는다.[68]
6. 약리학 및 독성학 분야에서의 활용
3차원 배양은 세포가 생체 내에서 가지는 환경과 유사하게 세포-세포, 세포-기질 상호작용, 영양분 수송 방법을 구현하여 세포를 배양할 수 있다.[136] 3차원 배양으로 만들어진 스페로이드(spheroids)는 세포 이동, 분화, 생존 및 성장에 있어 2D 배양보다 개선된 모델이다.[137] 3D 세포 배양은 세포 분극을 더 정확하게 묘사하며,[138] 3D에서 성장한 세포는 2D에서 성장한 세포와 다른 유전자 발현을 보인다.[138]
3차원 세포 성장은 세포 접착을 위한 더 넓은 접촉 면적을 제공하며, 이는 인테그린(Integrin) 결합, 세포 수축 및 세포 내 신호 전달에 필수적이다.[139][140] 정상적인 용질 확산과 성장 인자, 효소와 같은 효과기(Effector proteins)에 대한 결합 반응 또한 3D 세포 기질과 관련되어, 조직 크기에 따른 용질 농도 구배 설정도 중요하다.[141]
이러한 특성들은 2D 배양에는 없고 3D 배양에서만 나타난다. 따라서 실제 생체에서 일어나는 약물 대사 과정이 2D 배양보다 3D 배양에서 더 잘 일어나며, 실제 생체 내 현상과 유사한 현상을 확인할 수 있다.[136]
3D 세포 배양은 2D 세포 배양보다 안정성과 수명이 길어, 약물의 장기간 효과를 입증하는 등 장기간 연구에 적합하다. 3D 배양 환경에서는 세포가 방해받지 않고 성장할 수 있지만, 2D에서는 정상적인 세포 성장을 위해 정기적인 트립신 처리가 필요하다.[142] 3D 스페로이드(Spheroid)는 건강하고 암이 아닌(Non-cancerous) 성장을 유지하면서 최대 302일 동안 실험실 환경에서 배양되었다.[143]
약물 대사는 주로 간에서 일어나며, CYP 효소는 간에서의 약물 대사에 중요한 역할을 한다. 3차원 배양 시 CYP450 효소의 발현이 증가하여 약물 대사가 2차원 배양보다 더 잘 일어난다. 3차원 배양은 2차원 배양에 비해 약물 대사가 더 잘 일어날 뿐만 아니라, 생체 내와 유사하게 약물에 대한 저항성을 관찰할 수 있는 모델이다. 기존의 2차원 배양에서 효과를 보였던 약물들이 임상시험에서 효과가 없거나 매우 약하게 나타나는 경우가 많았다. 3차원 배양은 약동학, 약력학적으로 생체 내와 유사한 결과를 보이며, 동물 실험 없이도 약물에 의한 독성과 효과를 생체 내와 유사하게 관찰할 수 있는 모델이다.[153]
3D 배양은 전임상 개발 단계에서 임상시험 전에 약물의 효과를 유사하게 확인할 수 있어, 임상시험의 실패율을 낮추는 데 기여한다. 따라서 막대한 비용이 드는 임상시험을 시작하기 전에 표적 물질을 선택할 때 3D 배양의 중요성이 강조된다. 예를 들어, 고형암인 간암의 경우, 간암 세포를 6일 동안 3D 배양한 후 DNA 합성을 억제하는 약물을 처리했을 때 2D 배양에서는 나타나지 않았던 약물 저항성이 관찰되었다.[154] 실제 암은 약물에 대한 저항성을 나타내므로, 3D 배양이 2D 배양보다 생체와 더 유사한 결과를 제공한다고 할 수 있다.
암 치료에 주로 사용되는 방사선 치료는 암세포의 방사선 민감도가 매우 중요하다. 민감도는 산소 분획도, 세포 간 신호 전달 및 상호작용, 영양 공급 상태에 따른 방사선 조사 선량에 따라 달라진다. 암세포는 세포 내부에 저산소 상태를 가지며 영양분에 대한 대사도 다르다. 3D 모델을 이용하면 저산소 상태(Hypoxia), 세포 간 신호 전달 및 상호작용을 자연적으로 유도할 수 있어 항암 치료 효과를 확인하는 데 적합하다.
3D 세포 배양의 주요 목적은 전임상 시험에서 약물 및 나노물질의 약동학 및 약력학적 효과를 평가하는 것이다.[15][74][75][76][77] 독성학 연구에 따르면 3D 세포 배양은 약물 화합물의 독성을 평가하는 데 있어 생체 내 연구와 거의 동등한 수준이다. 아세트아미노펜, 아미오다론, 디클로페낙, 메트포르민, 펜포르민, 발프로산 등 6가지 일반적인 약물의 LD50 값을 비교했을 때, 3D 스페로이드 값은 생체 내 연구 값과 직접적인 상관관계를 보였다.[78] 2D 세포 배양은 이전에 생체 내 연구와 함께 독성 평가에 사용되었지만, 3D 스페로이드는 수명이 길어 만성 노출 독성을 평가하는 데 더 적합하다.[79] 3D 스페로이드의 매트릭스는 세포가 액틴 필라멘트를 유지하도록 하여 세포 골격 조직, 세포 극성 및 인간 세포 형태에서 생리학적으로 더 관련성이 높다.[80] 3차원 배열을 통한 배양은 동물 실험 없이 생체 내 인간 조직과 더 유사한 모델을 제공할 수 있다.[81]
7. 고처리량 스크리닝 (High-throughput screening, HTS)
3차원 세포 모델의 고밀도 형식의 고속 대량 스크리닝 (HTS)을 위한 첨단 개발은 최근 마이크로플레이트 밀도 증가와 관련된 기술적 성과로 인해 가능해졌다. 이는 세포 반발성, 비용 효율적이며, 완전 자동화된 스크리닝 플랫폼에 적합한 384웰 및 1536웰 형식으로 제공된다.[69] 1536웰 형식을 제공하는 두 가지 옵션은 m3D 자기 3D 바이오프린팅을 사용하는 Greiner Bio-One[70]과 초저 부착 표면 코팅, 미세 공동 기하학 및 중력을 통합하여 3차원 모델을 만드는 Corning Life Sciences에서 사용할 수 있다.[71][72] 3차원 스크리닝을 위해 개발된 빠르고 저렴한 방법 및 기술 덕분에 동종 유전자 쌍의 종양 유전자 관련 돌연변이 대 야생형을 테스트하는 병렬 고속 대량 스크리닝 접근 방식이 가능해졌다.[73] 더 나아가, 고속 대량 스크리닝 기술은 3차원 세포 배양의 틀 내에서 약리학과 독성학 분야를 연결하는 데 중요한 역할을 한다.
8. 3D 세포 배양의 한계 및 비판
3D 세포 배양은 여러 장점에도 불구하고 몇 가지 한계와 비판점이 존재한다.
- 표준화 및 재현성 부족: 일부 3D 세포 배양 방법은 표준화된 프로토콜(Protocol)이 정립되지 않아 실험 결과의 재현성이 떨어진다는 문제가 있다.[160]
- 고처리량 스크리닝(HTS)과의 호환성 문제: 기존의 고처리량 스크리닝(HTS) 기기는 2D 세포 배양에 최적화되어 있어, 3D 세포 배양과의 호환성이 떨어진다. 이는 대규모 약물 스크리닝에 3D 세포 배양 기술을 적용하는 데 어려움을 야기한다.[160]
- 데이터 부족: 3D 세포 배양 환경에서의 약물 상호작용, 세포 분화, 신호 전달 기전에 대한 연구 데이터가 2D 세포 배양에 비해 부족하다. 이는 3D 세포 배양 모델의 신뢰성을 확보하고, 생체 내 반응을 정확히 예측하는 데 걸림돌이 된다.[160]
- 기존 분석법의 정확도 감소: ATP 활성 측정, MTT assay 등 기존 세포 분석법은 2D 세포 배양을 기준으로 개발되었기 때문에, 3D 세포 배양에서는 정확도가 낮아질 수 있다. 이는 3D 세포 배양 환경에 맞는 새로운 분석법 개발의 필요성을 시사한다.[160]
- 기술적 어려움: 행잉 드롭(Hanging drop)과 같은 일부 3D 세포 배양 방법은 실험 과정이 복잡하고, 실험자의 숙련도를 요구하며, 대량 생산이 어렵다는 단점이 있다. 하이드로젤(Hydrogel) 배양의 경우, 배지 교체 과정에서 하이드로젤이 무너지는 등 기술적 개선이 필요한 부분이 있다.[160]
- 경제성 문제: 3D 세포 배양은 2D 세포 배양에 비해 비용이 많이 들고, 기술적인 어려움이 있어, 대규모 약물 개발 과정에서는 여전히 2D 세포 배양이 주로 활용된다.[160]
- 생체 내 환경 모사의 한계: 3D 세포 배양이 2D 세포 배양보다 생체 내 환경을 더 잘 모사한다고는 하지만, 여전히 실제 생체 내의 복잡한 미세 환경을 완벽하게 재현하는 데는 한계가 있다. 특히, 종양 스페로이드 모델의 경우, 가용성 분자의 기울기 조작 및 복잡한 기울기에서의 세포 특성화가 어렵다는 비판을 받는다.[55]
- 이미징 및 유세포 분석의 어려움: 큰 스캐폴드 크기 및 많은 형광 현미경과의 호환성 부족으로 인해 이미징에 어려움이 있으며, 유세포 분석을 위해서는 스페로이드를 단일 세포 현탁액으로 해리해야 하는 번거로움이 있다.[97]
이러한 한계점에도 불구하고, 3D 세포 배양 기술은 지속적으로 발전하고 있으며, 향후 신약 개발 및 생명 과학 연구 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
참조
[1]
서적
Valproic Acid
Nova Science Publishers, Inc.
[2]
논문
Three-dimensional tumor models: Promoting breakthroughs in nanotheranostics translational research
2020-06
[3]
논문
On the Permanent Life of Tissues Outside of the Organisms
1912-05
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웹사이트
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