High-resolution Inkjet Bioprinting of in vitro Human Alveolar Barrier Construct

Abstract

조직공학 분야에서 바이오 프린팅 기술은 복잡한 구조의 3차원 조직 모사체를 제작하는데 사용할 수 있는 적합한 기술로 평가받고 있다. 바이오 프린팅 기술 중 하나인 잉크젯 바이오 프린팅은 피코리터 단위의 액적을 원할 때에만 토출하는 것이 가능하기 때문에 보다 높은 정밀한 세포 배치를 가능하게 한다. 따라서 섬세하고 복잡한 조직의 특성을 구성하는데 가장 적합한 기술로써 잉크젯 프린팅을 제시할 수 있다. 본 논문에서 모사하고자 하는 폐포 장벽은 매우 얇고 복잡한 조직이며, 기존의 전통적인 실험 방법 및 압출방식의 바이오 프린팅 기술로는 생체 모사도에 한계가 있어왔다. 따라서, 본 논문에서는 고 해상도의 잉크젯 바이오 프린팅을 이러한 한계를 극복할 수 있는 기술로 주목하였다. 본 논문에서는 잉크젯 바이오 프린팅을 이용하여 인공 폐포 모사체를 제작하고 이를 독성 평가, 질병 모델 제작 및 약물 평가에 활용하는 방법을 소개한다. 제 1장에서는 본 연구의 필요성과 전반적인 개요를 소개한다. 제 2장에서는 본 논문의 연구 배경과 관련된 문헌들을 다루고 있다. 2.2절에서는 조직공학 분야에서 사용되는 잉크젯 바이오 프린팅 기술의 개요에 대해서 설명한다. 2.3절에서는 잉크젯 바이오프린팅을 이용한 세포 미세 패턴화 및 하이드로젤 프린팅에 관한 구체적인 사례를 제시한다. 2.4절은 인체 폐의 생리학적 구조와 기능, 폐포 모델의 필요성에 논한다. 2.5절에서는 체외 폐포 모사 실험 모델에 관한 최근까지의 연구 결과들을 방법론에 따라 소개한다. 제 3장에서는 본 논문에서 사용된 재료 및 장비, 실험 방법에 대해 소개한다. 제 4장에서는 잉크젯 바이오 프린팅을 이용해 폐포 장벽 모사체의 제작 과정에 관한 내용을 포함한다. 잉크젯 프린팅 시 고려해야 할 프린팅 조건 및 공정 과정 최적화에 관한 내용부터 시작하여, 제작 과정에 대하여 설명한다. 제작된 조직의 구조 및 기능을 평가하여 잉크젯 프린팅 기반 폐포 장벽 모사체의 우수성을 입증하고 호흡기 바이러스 처리 후 항 바이러스 반응을 확인하는 활용 내용을 다룬다. 제 5장에서는 4장에서 수립된 잉크젯 프린팅 기반 폐포 장벽 모사체를 활용하여 미세먼지 입자의 유해성을 규명한 실험에 관해 소개한다. 다양한 농도 및 시간 변수에 해당하는 미세먼지 입자에 노출된 폐포 모사체 내 세포 사멸에 관해 확인하고, 구조 변화 관찰하는 과정이 포함된다. 폐포 주 기능인 계면활성제 분비 활성에 관해 평가하고, 세포 극성에 관해 확인 한 후 유전자 분석을 통해 실험 결과를 뒷받침한다. 제 6장에서는 잉크젯 프린팅 기반 폐포 장벽 모사체에 가습기 살균제 성분인 CMIT/MIT 처리 후 조직 생존율 평가 및 질병 현상을 확인한다. CMIT/MIT에 노출된 조직의 생존율을 확인하고 2차원 세포 생존율과 직접 비교하여 3차원 환경이 어떤 영향을 줄 수 있는지 확인한다. CMIT/MIT 처리 이후 염증반응 및 세포 신호 전달체계의 활성을 확인하고 상피-간엽전환 (EMT)의 바이오 마커에 관해서 조사한다. 마지막으로 폐 섬유화증의 바이오 마커 상향조절을 관찰하며 CMIT/MIT가 잠재적으로 폐 섬유화증을 비롯한 호흡기 질병의 원인이 될 수 있을 가능성에 대해 설명한다. 제 7장에서는 폐 섬유화증 질병 모델을 제작하고 치료 약물의 처리 후 효율성을 평가하는 내용을 포함한다. 잉크젯 기반의 폐포 장벽 모사체에 친 섬유화성 사이토카인을 처리한 후 세포 증식, 콜라겐 침착, 계면활성제 분비 등의 변화를 관찰함으로써 폐 섬유증이 성공적으로 유도됨을 확인하였다. 또한 EMT 및 폐 섬유화증 바이오마커의 상향 조절을 관찰한다. 이후 항 섬유화제 약물의 투여를 통해 폐 섬유화증의 완화를 확인함으로써 제작된 폐포 장벽 모사체가 새로운 질병 모델 및 신약 개발 플랫폼으로써 활용 될 수 있는 가능성을 제시한다. 제 8장에서는 제 1장에서 소개했던 연구 질문들에 대한 대답을 제시함으로 전체 연구 내용을 요약하고, 추후 발전 가능한 연구에 대해 소개하면서 논문을 마무리한다.

Bioprinting can bring technological advancements in the field of tissue engineering and regenerative medicine by reconstructing precise microenvironments. Among the different bioprinting approaches, piezoelectric inkjet bioprinting, which can eject ink drops at the picolitre level by drop-on-demand style, is mostly used in this thesis to produce a delicate and complex 3D alveolar barrier model. Fundamental printing factors, from jetting stability to cell viability, are evaluated systematically for method optimization. Therefore, alveolar cells of various types might be laminated to create a three-layer structure. A three-layered alveolar barrier model was created with unprecedented thickness using high-resolution alveolar cell deposition. The model structure, morphologies, and fundamental functions of lung tissue were demonstrated using constructed alveolar barrier constructions. Furthermore, the risk of hazardous inhalable dust particles and chemicals was demonstrated as revealed anomalies and alterations in the structure and genetic expression. Finally, the respiratory disease was induced on the constructed alveolar barrier model, and the treatment effectiveness of drugs was assessed. The all-inkjet-printed alveolar barrier model might be utilized as an alternative to traditional test models for pathological and pharmacological applications, as inkjet bioprinting allows for customization, scalable manufacture, and standardization of tissue models.