[학과 연구 성과 취재] 박종호 박사과정 학생

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<박종호 박사과정 학생>

이번 달에는 카이스트 바이오및뇌공학과 박제균 교수님 연구실에서 박사과정 재학 중이신 박종호 학생과 인터뷰를 진행했습니다. 박종호 학생은 작년 11월 ‘Functional Assessment of a Bioprinted Immuno-Mimetic Peyer's Patch Recapitulating Gut-Associated Lymphoid Tissue’라는 주제로 Advanced Healthcare Materials에 논문을 게재하셨습니다.

Q1. 안녕하세요, 이달의 학과 연구 성과 취재에 응해 주셔서 진심으로 감사드립니다. 간단한 자기소개와 인사 말씀 부탁드립니다.

안녕하세요, 저는 박제균 교수님 연구실 박사과정 박종호입니다. 현재 장내 면역 환경과 장내미생물 상호작용을 모사하는 3D 생체모사 모델을 연구하고 있으며, 이번에 '이달의 학과 연구 성과'로 소개할 수 있게 되어 매우 감사하고 기쁘게 생각합니다.

Q2. 작년 11월 Advanced Healthcare Materials에 개제하신 ‘Functional Assessment of a Bioprinted Immuno-Mimetic Peyer's Patch Recapitulating Gut-Associated Lymphoid Tissue’ 논문에 대해 간단한 소개 부탁드립니다.

저희 논문은 'Functional Assessment of a Bioprinted Immuno-Mimetic Peyer’s Patch Recapitulating Gut-Associated Lymphoid Tissue'라는 제목으로, 장관 연관 림프조직(GALT)의 주요 구조 중 하나인 Peyer’s Patch(PP)를 3D 바이오 프린팅 기법을 통해 모사한 in vitro 플랫폼 개발에 관한 내용을 담고 있습니다. 이 모델에서는 실제와 유사하게 상피세포 아래 면역세포들이 포집된 형태로 기능을 유지하고 있습니다. 이를 독성물질 및 박테리아 중 하나인 대장균을 처리하여 효과를 본 논문입니다. 이 플랫폼은 유산균이나 병원성 박테리아와의 상호작용 시 면역세포 반응을 분석할 수 있도록 설계되었으며, 실제 조직과 유사한 형태와 기능을 재현함으로써 향후 장내미생물-면역 반응 연구에 기여할 수 있습니다. 연구 관련 대표 이미지_박종호.jpg

<연구 관련 내용 대표 이미지>

Q3. 이어, 해당 연구를 시작하게 된 계기가 있는지 궁금합니다.

먼저 개인적인 이유부터 말씀드리자면, 석사과정 동안 저는 주로 미생물의 배양과 활용에 초점을 맞춘 연구를 진행해왔습니다. 하지만 당시에는 연구를 수행하는 과정에서 ‘왜 이 연구를 하고 있는가’에 대한 목적성과 방향성에 대해 많은 고민이 있었습니다. 그러던 중, 주변에서 많은 사람들이 건강을 위해 프로바이오틱스나 요구르트, 비타민 등을 챙겨 먹는 모습을 자주 보게 되었고, 문득 “과연 이게 정말 효과가 있는 걸까?”라는 궁금증이 생겼습니다.

관련 논문들을 찾아보며 살펴보았는데, 아직까지도 그러한 효과에 대한 과학적 검증이 미비하다는 인상을 받았습니다. 특히 장-면역-마이크로바이옴 간의 복합적인 관계를 실험적으로 모사하기 어렵다는 현실을 알게 되었습니다. 기존의 장내 모델은 면역세포를 포함하기 어렵고, 장내미생물과의 상호작용을 충분히 반영하지 못한다는 한계가 있었습니다. 특히 GALT와 같은 실제 면역 조직의 생리학적 구조를 반영한 in vitro 모델은 매우 드물다는 점도 알게 되었습니다.

그래서 저는 보다 정교한 플랫폼을 개발함으로써, 장내미생물의 면역 조절 기전을 구체적으로 규명하고자 이 연구를 시작하게 되었습니다.

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<3D GALT 모델에서 점막 상피-면역 미세환경의 구성>

Q4. 논문을 살펴보면, 장 면역 체계를 모방하기 위해 bioprinting을 사용해서 gut-associated lymphoid tissue (GALT)의 3D 환경을 모사하셨는데 기존의 방식과 비교해서 가장 큰 차이점이 무엇인지 궁금합니다.

기존의 Transwell 기반 2D 공동배양 방식은 공간적 제약과 세포 간 물리적 상호작용의 부족으로 인해 실제 조직과의 유사성이 떨어집니다. 저희는 3D 바이오 프린팅 기술을 통해 면역세포가 집적된 돔 형태의 하이드로겔을 제작하고, 상피세포를 그 위에 부착시켜 실제 Peyer’s Patch의 구조를 모사했습니다. 특히, ECM 코팅과 aerosol 기반 가교 기술을 통해 구조 안정성과 세포 생존율 및 분화능 모두 확보했다는 점이 기존과 가장 큰 차이점입니다. 이런 차이점들은 IgA 발현량 증가와 M세포 분화 등 실제 Peyer’s Patch 기능적 특징을 유도하는 모습을 보였습니다.

Q5. 개발하신 GALT 모델을 활용하여 미생물 간의 상호 작용을 연구하기 위해 대장균을 처리하고 림프구에서 IgA 분비를 분석했다고 되어있는데, 이 부분이 가지는 의의에 대해 설명해 주실 수 있으실 까요?

IgA는 장내 면역 반응의 대표적인 지표이며, GALT 내 B세포에서 분비되는 항체입니다. 본 연구에서는 대장균(E. coli)을 처리한 후, 면역세포가 포함된 모델에서 IgA 분비가 유의하게 증가함을 확인하였습니다. 이는 본 GALT 모델이 실제 면역 반응을 잘 재현할 수 있으며, 향후 면역 조절 물질 또는 프로바이오틱스의 효능 평가에 활용될 수 있음을 시사합니다.

Q6. 이번 연구가 해당 분야에 어떤 의의가 있는지, 어떤 영향을 줄 수 있는지 궁금합니다.

본 연구는 기존 장 면역체계 모사에서 간과되었던 면역세포와 장 세포 간의 공간적 구획화를 고려하여, GALT(Gut-Associated Lymphoid Tissue)와 유사한 3차원 면역조직을 재현하고 이를 장내 미생물과의 상호작용 분석에 적용한 최초의 시도 중 하나입니다. 본 모델은 IBD(염증성 장 질환) 및 크론병(Crohn’s disease)과 같은 질환의 병태생리 규명에 활용될 수 있으며, 장내 마이크로바이옴 및 면역 조절제의 고효율 스크리닝 플랫폼으로의 확장 가능성 또한 지니고 있습니다.

Q7. 본 연구를 진행하시는 과정과 논문을 작성하는 과정에서 가장 힘들다고 생각했던 부분은 어떤 것이었나요? 또한 이를 어떻게 해결하셨나요?

본 연구는 2021년 10월부터 시작되었습니다. 가장 큰 어려움은 바이오 프린팅 조건의 최적화 과정이었습니다. 세포를 프린팅 된 구조 위에 배양하더라도, 중력이나 표면 특성의 영향으로 세포들이 아래로 가라앉거나, 표면에 정착하지 못해 탈락하는 현상이 빈번하게 발생했습니다. 심지어 일시적으로 부착된 세포들도 기능이 유지되지 않거나, 세척(washing) 과정 중 쉽게 떨어져 나가는 문제가 있었습니다. 이를 해결하기 위해 ECM 코팅 조건과 배양 환경을 포함한 다양한 요소들을 반복 실험을 통해 최적화하는 데 거의 2년의 시간이 소요되었습니다.

또한, 장내 미생물과의 공배양 시, B세포의 IgA 분비량이 매우 낮아 면역 반응을 관찰하기 어려웠으며, 이에 따라 hybridoma 세포를 대체로 사용해야 했습니다. 면역 반응 메커니즘의 규명 역시 도전적인 과제로, 형광 분석과 ELISA를 통해 간접적으로 확인할 수밖에 없었습니다. 이 부분은 현재 이 모델의 한계점으로 남아 있으며, 후속 연구를 통해 개선이 필요한 부분입니다.

Q8. 앞으로 이 연구 결과를 활용한 추가 연구나 계발 계획이 있으신 지 궁금합니다.

향후에는 다양한 프로바이오틱스 종류에 따른 면역 반응 비교, 항생제 또는 면역조절제와의 병용 처리 실험, 그리고 실제 환자 유래 마이크로바이옴을 적용한 개인 맞춤형 면역 반응 예측 모델로 확장하고자 합니다. 또한, 미세유체시스템 및 단일세포 분석 기법과 결합하여 더욱 정밀한 면역 반응 모니터링도 계획하고 있습니다.

Q9. 현재는 어떤 연구를 진행하고 계시는지, 혹은 어떤 연구를 더 해보고 싶으신 지 궁금합니다.

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<전반적인 연구 방향에 대한 모식도>

GALT 관련 연구는 현재 크게 두 가지 방향으로 진행되고 있습니다.

첫번째는 면역학적 측면에서의 보완입니다. 기존 모델에서 부족하다고 판단된 B세포, T세포 등 다양한 면역세포와의 공배양 플랫폼을 개발하여, 면역조직 모사의 기능성을 향상하고자 합니다. 이를 통해 더욱 복잡하면서도 생리학적 유사성이 높은 조직 모델을 구현할 수 있을 것으로 기대됩니다.

두번째는 환경적 측면에서의 보완입니다. 조직 내 미세환경을 보다 정밀하게 모사하기 위해, 미세유체 기반 조직 칩 기술을 접목하고자 합니다. 이를 통해 조직 내 유체 흐름, 농도 구배 등 실제 생체 환경을 반영한 실험이 가능해질 것입니다.

최종적으로는 이 두 가지—면역세포 구성과 미세환경 조성—을 통합한 플랫폼을 구축한 뒤, 실제 마이크로바이옴 또는 프로바이오틱스 샘플을 처리하여 면역세포 구성에 따른 반응을 분석할 계획입니다. 이 시스템이 완성되면, 장내 마이크로바이옴과 연관된 크론병, IBD, 패혈증(Sepsis) 등 다양한 질환에 대해 보다 정밀한 스크리닝 분석이 수행해보고자 합니다.

Q10. 박사과정이 끝을 향해 가고 있는 것으로 알고 있습니다. 대학원 과정을 시작하는 신입생 혹은 학위 과정 중인 후배들에게 선배로써 조언 부탁드립니다.

많이 부족한 저이지만, 이끌어 주신 지도교수님 박제균 교수님과 함께 연구하며 버팀목이 되어 주신 연구실 가족들 덕분에 여기까지 온 것 같습니다.

감히 제가 후배분들께 한 말씀드리자면, 박사과정… 아니, 대학원 과정은 짧게는 2년, 길게는 6~7년 이상 걸리는 정말 긴 여정입니다. 그래서 많은 분들이 "마라톤과 같다"고 표현하시곤 하죠.

그 여정 속에서 가장 중요한 건 처음 이 길을 선택한 이유를 잊지 않는 것이라고 생각합니다. 왜 대학원에 왔는지, 왜 연구를 하고자 했는지를 스스로 계속 되새기다 보면, 수많은 스트레스와 고민 속에서도 중심을 잃지 않을 수 있을 거예요.

연구를 하다 보면 예상치 못한 시행착오도 많고, 흥미도 자신감도 흔들리는 순간들이 찾아옵니다. 하지만 그런 순간에도 스스로의 리듬을 잃지 않고 조금씩, 꾸준히 나아가다 보면, 분명히 만족스러운 결과와 함께 자신만의 성장을 느낄 수 있을 겁니다.

지금 이 길을 걷고 있는 모든 분들을 진심으로 응원합니다.

오랜 시간 인터뷰에 응해 주신 박종호 박사과정 학생분께 다시 한번 진심으로 감사드립니다.

참고문헌: Park J, Lee G, Park JK. Functional Assessment of a Bioprinted Immuno-Mimetic Peyer's Patch Recapitulating Gut-Associated Lymphoid Tissue. Adv Healthc Mater. 2025;14(1):e2402722. doi:10.1002/adhm.202402722