대일본 인쇄 주식회사(DNP)에서 연구 개발을 담당하는 부장의 혼자 츠치야 카츠노리는 2015년 자신들이 개발한 패턴 배양 기재 위에 뿌린 줄기세포가 불과 90일 만에 장세포로 분화되어 장관이 되는 것을 발견했다. 어쨌든 믿을 수 없었다.
츠치야들이 제작에 성공한 이 입체 장기는, 생체 장관과 같이, 흡수 능력이나 분비 능력을 갖추고 전동 운동 ※과 같은 움직임도 하는 것으로부터, 「미니 장」이라고 부르고 있다. 크기는 최대 직경 1cm 정도입니다.
'미니 창자'의 개발은 국립성육의료연구센터(NCCHD)가 DNP나 도호쿠대학의 연구자들과 공동으로 실시하고 있으며, 2017년 1월에는 그 연구 결과를 미의학지 '저널 오브 클리니컬 인베스티게이션'에서 발표하고 있다. 인간 ES 세포나 iPS 세포로부터 장관 기능을 가지는 장기를 시험관 내에서 창성한 것은 세계 최초의 쾌거였다.
그리고 이 연구 발표의 뒤에서 DNP의 인쇄 기술을 발전시킨 복수의 기능성 재료를 얇고 균일하게 코팅하는 "박막 다층화 기술"을 활용함으로써 크게 공헌하고 있었다.
- 전동 운동 : 동물의 소화관 운동으로 지렁이 등의 연형 동물의 이동 운동 등과 같이 근육의 수축파를 수반하는 운동
"DNP가 보유한 박막 다층화 기술을 배양 기재에 응용함으로써 ES세포나 iPS세포 등의 다기능 줄기세포를 장의 다양한 기능을 가진 세포로 분화시켜 동일한 기능을 가진 세포가 자기 조직화하는 능력을 끌어낸 것입니다. 배양한 세포가 눈앞에서 인간의 장과 같이 전동 운동을 하는 것을 보았을 때는, 과연 믿을 수 없었습니다」라고 츠치야는 당시를 되돌아 본다. 오랫동안 잉크와 디스플레이, 전자페이퍼 등 개발 분야에서 활약해온 츠치야가 생명과학의 경이를 다시 한번 실감한 순간이었다.
ES 세포 및 iPS 세포와 같은 다기능 줄기 세포는 모든 종류의 세포로 분화하는 능력을 갖는다. 새로운 치료방법이나 신약의 개발에 도움이 되는 세포를 시험관 내에서 만들어낼 수 있을 것으로 기대되고, 이들 인간의 다기능성 줄기세포를 이용한 재생의료의 연구가 전세계에서 활발히 이루어지고 있다. 최근에는 오르가노이드라고 불리는 "생체에 가까운 복잡한 장기"를 시험관 내에서 만드는 도전적인 연구가 진행되어 왔다.
그러나 장기 중에서도 복잡한 구조와 기능을 가진 장과 같은 오가노이드를 만드는 데는 몇 가지 큰 과제가 있습니다. 장관은 소화, 흡수, 면역 기능을 수행하고 있으며, 전동 운동도 실시하고 있다. 이러한 많은 기능을 갖는 오가노이드를 시험관 내에서 생성하는 것은 매우 어려워지고 있다.
DNP 기술이 과제 해결에 기여
이러한 과제를 해결하고 미니 장이라는 오르가노이드 제작의 성공을 뒷받침한 것이 DNP의 기술이었다. DNP가 오랜 세월 쌓아온 제판(인쇄용 원판의 제작)과 코팅(도공), 패터닝(정밀 패턴 형성) 등의 기술을 응용해 세포를 배양하는 기재를 최적화한 것이다. 그 응용법은 이렇다.
세포 패턴 배양 기판 "CytoGraph® (사이트 그래프)"상에서의 소장 제작 과정
유리나 플라스틱의 기재 표면에 특수 재료를 수나노(10의 마이너스 9승) 미터의 두께로 바르고, 그 위에, 세포가 접착하지 않는 고분자 재료를 같은 수나노미터의 두께로 바른다(코팅). 이렇게 만들어진 기재에는 세포가 접착하지 않지만, 임의의 영역에 자외선을 조사하면 최상층의 고분자층이 제거되고, 세포가 접착하는 영역이 생긴다(제판).
그렇게 하여 기재상에 고분자층이 있는 부분과 없는 부분의 패턴을 만들고 그 위에 세포를 뿌리면 고분자층이 없기 때문에 세포의 접착이 가능한 부분에만 세포가 모여 패터닝된 세포의 집합체가 생기는 구조다.
이와 같이 제작된 미니장은, 영양분을 주면 시험관 내에서의 장기 보존이 가능하고, 약품의 시험도 계속적으로 실시할 수 있다. 따라서 NCHCH와 DNP는 신약 개발에 있어서 매우 혁신적인 피험체로서 미니 장의 실용화를 진행하고 있다. 2021년까지 미니장의 안정적인 제작기술의 확립을 목표로 하고 있으며, DNP에서 2022년까지 양산기술을 확립하여 제약회사나 검사회사에 제공을 개시하는 것을 목표로 하고 있다.
미니 장의 제작 메카니즘의 해명은 도반이지만, DNP는 국내 유수의 줄기세포 연구기관인 NCHCH와 공동으로 앞으로도 해명을 진행해 나갈 것이다.
DNP의 생명과학 사업 걸음
DNP는 인쇄 기술로 마이크로(10의 마이너스 6승)미터 단위, 나노미터 단위의 가공을 한 제품을 많이 생산해 왔다. 그 기술을 강점으로 생명과학 분야에서의 사업 개발에 주력하고 있다. 그 역사는 1985년의 「뇨 검사 키트」로 시작된다. 이때 개발한 '효소를 잉크화하는 기술'을 응용하고, 그 후 타액의 시험지나 임신 검사 키트를 제품화한 것 외에 의약품이나 의료기기의 포장재도 제조해 왔다.
DNP의 「박막 다층화 기술」을 응용한 세포 배양기재
DNP가 본격적으로 의료 분야에서 연구 개발에 임하기 시작한 것은 2000년대 초반이다. 2004년 도쿄의과치과대학과의 공동연구에서 DNP가 가지는 포토마스크(반도체 제품 제조용 원판) 관련 기술을 응용하여 기재 상에 패턴 배양한 세포를 전사하여 직경 10마이크로미터 정도의 모세혈관을 패턴화하는 기술을 확립했다. 그 후, 2006년에 도쿄 여자 의과 대학 첨단 생명의과학 연구소와 재생 의료에 관한 공동 연구를 개시했다. 2008년에는 도쿄여성의과대학 등과 공동으로 인쇄기술을 활용한 재생의료용 세포시트 배양필름의 효과적인 생산기술을 확립했으며, 도쿄의과치과대학과의 세포패턴화 기술을 발전시켜 국내 최초의 세포패턴 배양기판 'CytoGraph®(사이트 그래프)'를 제품화했다. 이는 이번 미니 창자 제작에 사용한 기재의 기초가 된 기술이다.
이러한 실적에 눈을 돌린 것이 NCHCH였다. 그때까지 DNP는 세포 접착성에 특징이 있는 기재를 개발하여 혈관이나 심장, 뼈 등의 생체 유래 세포를 배양해 왔다. 이에 비해 NCHCD는 다능성 줄기세포를 패턴 배양함으로써 지금까지는 없었던 세포의 분화를 제어할 수 있을까 생각하고 본격적인 공동연구가 2011년에 시작되었다.
그 후 2014년 재생의료추진법이 성립되어 민간기업에 의한 재생의료분야 진입이 뒷받침되고, DNP도 세포 배양기재 등 생명과학 분야 사업에 주력하게 된다.
DNP가 현재 목표로 하고 있는 것은, 미니장을 제약회사에 안정적으로 공급해, 선천성의 소장의 질병이나 궤양성 대장염, 크론병으로 대표되는 원인 불명의 만성 염증성 장 질환 등의 질병에 대한 신약의 개발에 활용해 주는 것이다.
미니 장이 신약 개발에 사용할 수 있게 되면, 약품 메이커로서도 대폭적인 코스트 컷을 기대할 수 있다. 약물에 사용되는 후보 화합물의 스크리닝(취사 선택)에 있어서, 매우 장기에 가까운 인체 유래의 오르가노이드를 사용하여 화학 반응의 데이터를 수집하여, 그것을 기초로 화합물을 탐색할 수 있게 된다. 또한 동물을 사용하지 않고 약의 유효성이나 안전성을 확인할 수도 있다.
실제로 신약 개발에는 거액 투자가 필요하다. 의약산업정책연구소가 발행하는 리서치 페이퍼 시리즈 No.59(2013월 7월)에 게재된 '의약품 개발 시기와 비용-앙케이트에 의한 실태조사-'에 따르면, 창약에 있어서의 연구·개발 1건당 총 투자액은 평균 500억엔에 이른다. 또한 동물을 이용한 전임상시험을 거쳐 인간의 임상시험으로 진행된 창약 프로젝트 중 최종적으로 승인을 얻은 것은 5.6건 중 1건에 불과하다. 즉, 거액의 투자를 해도, 약으로서 승인되는 것은 매우 적은 것이다.
츠치야가 부장을 맡는 연구개발센터, 컨버팅기술연구개발본부 제3부는 미니장의 안정적인 생산을 목표로 2017년부터 DNP카시와 연구시설 내에서 세포가공시설(CPF)을 가동시켜 연구개발을 진행하고 있다. 이 실험실에서는, 균이 철저하게 관리되고 있어, 입실하기까지 2회의 갈아입기가 의무화되고 있는 것 외에, 한 번에 입실할 수 있는 것은 2명까지에 한정된다.
향후 과제는 DNP 기술의 추가 응용
츠치야 부서의 멤버 대부분은 생물학과 약학 등을 전공해 온 생명과학 분야 출신자들이다. 츠치야 자신은 DNP에서 재료 분야를 전문으로 했지만, 미국 주재(2005-2009년) 시대에 바이오벤처 기업과 일한 경험을 팔아 2010년 현재 부서로 이동했다. 「처음에는 상황을 파악할 수 없었습니다만, 서서히 세포에 매료되어 갔습니다. 세포가 10개 있으면, 각각 다른 움직임을 한다.센시브인 곳과, 좀처럼 컨트롤할 수 없는 곳이 매력입니다」
츠치야는 재생의료를 추진하는 일반사단법인 재생의료이노베이션 포럼의 간부로서의 얼굴도 가진다. “이런 활동에 의해 재생의료 분야에서 DNP의 존재감을 높이는 것이 목적입니다”라고 기업이나 부처를 방문하면서 재생의료 보급에 분주한다.
앞으로의 과제는 DNP가 보유한 기술을 더욱 생명과학의 기술과 융합시키는 것이다. "라이프사이언스 분야에서 DNP의 독자성을 내기 위해서는 DNP가 쌓아온 인쇄 기술을 이 분야에서 더 응용하는 것입니다. 거기에는 연구자 한 사람 한 사람이 그 기술을 충분히 이해하고 어떻게 기술을 사용해야 하는지를 생각해 나가는 것이 열쇠가 됩니다."
- 게시일: 2018년 4월 16일
- 부서명이나 제품의 사양등의 게재 내용은 취재시의 것입니다. 예고 없이 변경될 수 있으니 미리 양해 바랍니다.
2018년 4월 16일 by Discover DNP 편집부
