바이오및뇌공학과 박성준 교수와 연세대학교 조승우 교수, MIT Polina Annikeeva 교수 공동연구팀이 파괴된 근육을 재생시키기 위한 맞춤형 3D 파이버 구조체를 개발했다. 이는 외상 및 종양 절제 후에 발생하는 근육 손실로 움직임에 불편함을 느끼는 환자들에게 큰 도움이 될 것으로 보인다. 해당 연구 결과는 지난 2월 19일 국제 학술지 <어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)>에 표지 논문으로 게재되었다.

이식 기반의 기존 연구

    현재 근육 손실 환자의 치료를 위해 사용하고 있는 방법은 이식 기반의 수술법이다. 하지만 이는 조직을 제공한 부위에 문제를 일으킬 수 있고, 이식한 부위의 근육세포조차 효과적으로 재생되지 않는다는 한계가 있다. 줄기세포를 직접 손상 부위에 심어 골격근의 재생을 유도하는 방법 또한 현재로서는 세포의 장기 생존율 및 분화성이 많이 부족해 임상 적용이 힘들다.

리프로그래밍과 열 인발 공정

    연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 줄기세포 관련 바이오 기술과 3D 파이버 구조체 생산 기술을 이용하였다. 우선 섬유아세포*에 유전자 처리를 하여 이를 근육으로 성장하기 적합한 유도 근육전구세포**로 바꾸는 리프로그래밍 기법을 사용했다. 또한, 세포와 세포외기질(Extracellular Matrix, ECM) 등을 체내에 주입하면 흩어져버려 성장할 수 없다는 문제점을 해결하기 위해 고분자 기반의 3D 파이버 구조체를 만들었다. 생체적합성과 강도가 우수한 폴리머인 PCL을 사용하고, 이를 마이크로 스케일의 튜브로 대량생산하기 위하여 광섬유를 제작하는데 사용되는 열 인발 공정(Thermal Drawing Process, TDP)을 이용하였다. 해당 기술은 물질을 녹여 빠르게 잡아당기기 위한 ‘파이버 타워’를 통해, 다양한 종류의 물질을 원하는 구조와 크기로 한꺼번에 가공할 수 있다는 장점이 있다. 연구팀은 이러한 3D 구조체뿐만 아니라, 이식 후 효과적으로 재생하고 분화할 수 있도록 동시에 세포외기질을 사용하였다. 실제 장기에서 세포를 제거하고 그 주변 물질만 남기는 탈세포 방법으로 만든 de-cell ECM을 하이브리드 3D 파이버 구조체에 둘러싸 인공 근육이 잘 분화할 수 있도록 하였다.

다양한 모델에 적용한 결과는

    생체 외(in vitro) 및 생체 내(in vivo) 연구 결과, 두 경우 모두 근육 세포의 분화 및 형성이 촉진되었으며, 주변 신경 및 혈관 분포율 또한 증가하였다. 특히 일부 근육을 제거한 마우스를 대상으로 개발한 시스템을 적용한 결과 이식 부위의 근육 성장이 촉진되었을 뿐만 아니라, 근육의 기능성이 대폭 향상되는 결과를 얻었다. 해당 연구는 근육을 초점으로 진행되었지만, 같은 방법으로 신경, 혈관 등 다양한 조직의 재생 및 분화를 촉진시킬 수 있을 것으로 기대된다.

    박 교수는 “열 인발 공정은 다양한 재료와 크기, 모양의 3D 구조체를 환자 맞춤형으로 대량 생산할 수 있어 여러 생체 재료 및 줄기세포 기술과 결합한다면 조직 공학 분야에서 큰 시너지를 낼 수 있으리라 기대한다”고 전했다. 또한 “TDP와 파이버를 이용한 엑추에이터 기반 파이버 인공 근육, 감각 재현을 위한 파이버 인공 피부 등 다양한 바이오 신경 인터페이스 제작에 대한 연구를 지속해서 진행할 계획”이라 밝혔다.

섬유아세포* : 세포외기질과 콜라겐을 합성하는 세포의 일종.
전구세포** : 자손인 세포가 특정한 분화형성 발현이 밝혀졌을 때, 분화형질을 발현하지 않은 미분화 친세포.