손상된 세포를 대체할 수 있는 능력으로 줄기 세포는 관절염, 당뇨병에서 암에 이르기까지 많은 질병과 부상의 치료에 큰 가능성을 제공하고 있다. 그러나 줄기 세포를 수확하는(harvest) 데 사용되는 현재의 기술은 노동 집약적이다. 더군다나 시간과 비용도 많이 든다.

그러나 이제 돌파구가 열릴 것 같다. 시드니공과대학교(University of Technology Sydney) 연구팀이 생체반응을 이용하여 미생물 또는 세포를 배양해 물질을 생산하는 ‘생물 반응기’에서 줄기 세포를 수확하기 위해 고안된 독특한 3D 프린팅 시스템을 개발했다. 이 시스템은 낮은 비용으로 고품질의 대규모 줄기 세포를 생산할 수 있는 가능성을 제공하고 있다.

연구팀은 타가지방 유래중간엽 줄기세포를 이용한 세포 의약품을 연구 개발하는 호주의 호주 생명 공학 기업 ‘리제니어스(Regeneus)’와 협력하여, 염증 상태와 통증을 치료하기 위한 줄기 세포 치료법을 개발하고 있다.

3D 프린팅과 미세 유체 공학(microfluidics)을 활용하여 여러 생산 단계를 하나의 장치에 통합하는 이 최첨단 기술은 환자가 보다 더 저렴한 비용으로 줄기 세포 치료법을 보다 광범위하게 사용할 수 있도록 도움을 줄 것이다.

미세 유체 공학은 미세 종합 분석 시스템(μ-TAS:micro-total analysis system)과 랩온어칩(lab-on-a-chip)의 상용화에 기초가 되는 기반 및 핵심 기술을 연구 개발하는 학문으로, 세포와 입자를 조작하는 데 사용할 수 있는 미세 수준에서 유체를 정밀하게 제어하는 ​​것을 포함한다. 더군다나 3D 프린팅의 발전은 미세 유체 장비를 직접 구축할 수 있게 해주었고, 이에 신속한 프로토타이핑과 통합 시스템 구축이 가능해졌다.

특히 이 획기적인 기술은 특히 인간의 개입이 없는 폐쇄형 시스템으로 오늘날의 ‘우수 의약품 제조 및 품질관리 기준’을 준수하는 데도 필요한 것이다. 이 새로운 시스템은 뼈, 연골, 근육, 지방, 결합 조직 등 여러 조직 세포로 분열 및 분화할 수 있는 성체 줄기 세포의 하나인 중간엽 줄기 세포를 처리하기 위해 개발되었다.

중간엽 줄기세포는 처음에 인간의 골수, 지방 조직 또는 혈액에서 추출된다. 이후 실험실의 생물 반응기로 옮겨지고, 미세 운반체와 결합하여 세포가 증식할 수 있도록 한다.

연구팀이 개발한 이 새로운 시스템은 4개의 마이크로믹서, 1개의 나선형 미세유체 분리기, 1개의 미세유체 농축기를 결합하여 중간엽 줄기세포를 미세담체에서 분리하고 다운스트림 처리를 위해 농축한다.

다른 생물공정 산업 과제에도 이 기술과 작업 흐름을 동일하게 적용할 수 있기 때문에, 줄기 세포 및 키메라항원수용체 T 세포(Chimeric antigen receptor T cell)를 비롯한 다양한 생명 구조 제품의 품질을 높이고 비용도 절감시킬 수 있을 것이다.

- BIORESOURCES AND BIOPROCESSING, June 6, 2022, “A modular 3D printed microfluidic system: a potential solution for continuous cell harvesting in large-scale bioprocessing,” by Lin Ding, et al. © 2022 Springer Nature Limited. All rights reserved.

Due to their ability to replace damaged cells, stem cells offer great promise in the treatment of many diseases and injuries, ranging from arthritis and diabetes to cancer. However, current technology used to harvest stem cells is labor intensive, time consuming and expensive.

But now, researchers from the University of Technology Sydney have developed a unique 3D printed system for harvesting stem cells from bioreactors. This offers the potential for high quality, large-scale production of stem cells at a lower cost. In collaboration with an Australian biotechnology company called Regeneus, the team is developing stem cell therapies to treat inflammatory conditions and pain.

This cutting-edge technology, which uses 3D printing and microfluidics to integrate a number of production steps into one device can help make stem cell therapies more widely available to patients at a lower cost. Microfluidics involves the precise control of fluid at microscopic levels, which can be used to manipulate cells and particles. Advances in 3D printing have allowed for the direct construction of microfluidic equipment, and thus rapid prototyping and building of integrated systems.

Notably, this breakthrough technology is a closed system with no human intervention. That’s necessary for it to conform to current “good manufacturing practices,”

The new system was developed to process mesenchymal stem cells, a type of adult stem cell that can divide and differentiate into multiple tissue cells including bone, cartilage, muscle, fat, and connective tissue.

Mesenchymal stem cells are initially extracted from human bone marrow, fat tissue or blood. They are then transferred to a bioreactor in the lab and combined with microcarriers to allow the cells to proliferate.

The new system combines four micromixers, one spiral microfluidic separator and one microfluidic concentrator to detach and separate the mesenchymal stem cells from microcarriers and concentrate them for downstream processing.

Other bioprocessing industrial challenges can also be addressed using the same technology and workflow, helping to reduce costs and increase the quality of a range of life-saving products including stem cells and CAR-T cells.