3 차원(3D) 세포 배양 시스템은 기존의 이차원(2D) 배양법이 갖는 한계를 보완하고, 실제 생체조직에서 관찰되는 복잡한 질병 기전과 약물 반응을 보다 충실하게 재현할 수 있는 필수 도구로 ...

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3 차원(3D) 세포 배양 시스템은 기존의 이차원(2D) 배양법이 갖는 한계를 보완하고, 실제 생체조직에서 관찰되는 복잡한 질병 기전과 약물 반응을 보다 충실하게 재현할 수 있는 필수 도구로 ...
3 차원(3D) 세포 배양 시스템은 기존의 이차원(2D) 배양법이 갖는 한계를 보완하고, 실제 생체조직에서 관찰되는 복잡한 질병 기전과 약물 반응을 보다 충실하게 재현할 수 있는 필수 도구로 부상하고 있다. 이러한 3D 플랫폼은 세포–세포 및 세포–기질 간 상호작용, 미세환경 내의 농도 기울기, 그리고 다세포 구조 등 2D 배양으로는 재현하기 어려운 조직 고유의 특성을 재현하는 데 유리하다. 본 논문에서는 생체적합성 고분자를 이용한 3D 스페로이드 공동배양(co-culture) 플랫폼의 개발 및 적용에 관한 세 가지 연속적 연구를 제시한다. 우선, 유방암 세포 스페로이드를 콜라겐 기질에 삽입하여 전이 과정에서의 이동성을 평가하는 “전이성 이동성 분석”을 확립하였다. 이는 세포의 침윤 능력과 약물 민감도를 보다 정밀하게 측정할 수 있어, 기존 독성 중심 평가에 한정된 항암제 스크리닝을 개선하는 데 기여한다. 다음으로는, 염증성 질환 모델을 구축하기 위해 폴리카프로락톤(polycaprolactone) 기반의 나노섬유성 마이크로웰을 이용한 3D 활막 증식(synovial hyperplasia) 모델을 수립하였다. 여기서 환자 유래 활막 섬유아세포(fibroblast-like synoviocytes)와 내피세포(endothelial cells)가 공동으로 스페로이드를 형성함으로써 병리적 혈관신생과 관절 염증을 모사하였으며, 이를 통해 여러 종류의 질병조절항류마티스약(disease-modifying antirheumatic drugs, DMARDs)을 평가하였다. 마지막으로, 활성산소종(reactive oxygen species, ROS)에 감응하는 페로센(ferrocene) 나노입자를 제작하여 류마티스 관절염을 대상으로 설파살라진(sulfasalazine)을 표적 전달하는 시스템을 개발하였다. 이 나노입자는 염증 부위에서 선택적으로 약물을 방출하여 치료 효과를 현저히 높였고, 이는 3D 활막 증식 모델과 콜라겐 유도 관절염(collagen-induced arthritis) 마우스 모델을 통해 확인되었다. 본 연구에서 제시된 일련의 결과들은 고분자 지지체, 질환 특이적 공동배양 전략, 그리고 자극 감응형 약물 전달체를 융합함으로써 기존 in vitro 195 시스템의 한계를 극복하는 방법을 보여준다. 또한 기전 기반의 신약개발과 환자맞춤형 치료 전략 수립에 있어 3D 플랫폼이 갖는 잠재적 가치를 강조하며, 실험실 연구에서 임상적 적용으로 이어지는 전이 연구의 가교 역할을 할 것으로 기대된다
다국어 초록 (Multilingual Abstract)
Three-dimensional (3D) culture systems have emerged as essential tools for modeling complex disease processes and evaluating therapeutic agents under physiologically relevant conditions. Unlike traditional two-dimensional (2D) cell cultures, 3D platfo...
Three-dimensional (3D) culture systems have emerged as essential tools for modeling complex disease processes and evaluating therapeutic agents under physiologically relevant conditions. Unlike traditional two-dimensional (2D) cell cultures, 3D platforms can capture key features of native tissues, including cell–cell and cell–matrix interactions, microenvironmental gradients, and multicellular architecture. This dissertation explores the development and application of 3D spheroid co-culture platforms using biocompatible polymers, focusing on three sequential studies.
First, a metastatic migration assay was established by embedding breast cancer spheroids in a collagen matrix. This model allowed for more accurate assessments of cell invasiveness and drug sensitivity, advancing anti-cancer drug screening beyond conventional toxicity measurements. Second, the work transitioned to inflammatory disease by constructing a 3D synovial hyperplasia model on polycaprolactone-based nanofibrous microwells. Patient-derived fibroblast-like synoviocytes and endothelial cells formed stable spheroids mimicking pathologic angiogenesis and joint inflammation, enabling the testing of multiple disease-modifying antirheumatic drugs. Third, reactive oxygen species (ROS)-sensitive ferrocene nanoparticles were developed for targeted sulfasalazine delivery in rheumatoid arthritis. Their site-specific release significantly enhanced therapeutic effects, as verified in a 3D hyperplasia model and a collagen-induced arthritis mouse model.
Collectively, these studies illustrate how integrating polymeric scaffolds, disease-relevant co-culture strategies, and responsive drug carriers can overcome limitations of existing in vitro systems. The findings highlight the potential of engineered 3D platforms to facilitate mechanism-based drug discovery, guide personalized therapy, and bridge the translational gap between laboratory research and clinical intervention.
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