[바이오타임즈] 국내 연구진이 4D 프린팅으로 근육전구세포가 포함된 바이오잉크의 자가배열을 유도, 가지런한 근섬유 다발이 만들어져 주목받고 있다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 김근형 교수(성균관대학교 바이오메카트로닉스학과), 이상진 교수(Wake Forest Institute for Regenerative Medicine) 연구팀이 4D 프린팅 기술로 세포 배열을 조절할 수 있는 바이오잉크 기반 세포담체를 개발하고, 근육 손실 동물모델에서의 효과를 확인했다고 밝혔다.

세포담체(Scaffold)란 세포가 원하는 조직으로 증식, 분화될 수 있도록 미세공간을 제공하고 외부 균의 침입을 억제하는 세포의 집과 같은 지지체를 말한다.

연구팀의 설명에 의하면 인체의 각 조직은 해부학적/생리학적으로 그 기능에 맞는 특성과 환경을 지니고 있다. 또한 조직을 이루는 각 세포의 효과적인 대사작용, 물질의 교환, 전기신호의 전달 등을 위해 혈관, 림프관, 신경 다발 등을 포함하고 있다. 이에 조직에 손상이 가해졌을 경우 조직의 특징과 기능 등을 지원해 주는 것이 더욱 신속하고 성공적인 조직 재생을 위한 우수한 전략이 될 수 있다.

특히 고령화에 따라 위축증, 근이영양증과 같은 근육 질병 및 척추협착증, 척추골절, 진행성 기형 같은 관절 및 뼈 질환 등이 현저하게 증가하면서 조직공학 세포담체를 이용해 이들 조직을 보완하려는 연구가 이어지고 있다.
 

◇ 3D 프린팅으로 제작된 세포담체는 미세한 혈관 형성에 어려움 있어

기존 3D 프린팅 방법은 인체 조직의 구조적/물리적 모사는 가능하지만 미세한 해부학적 환경을 모사하기에는 어려움이 있다. 3D 프린팅 공정을 통해 제작된 세포담체는 수백 마이크로 단위의 비교적 큰 공극들로 이루어진 다공성 구조체로 제작되기 때문에 체내에 이식하였을 때 미세한 혈관 형성에 어려움이 있다. 이러한 이유로 인해 뼈 조직재생공학에서는 신생혈관을 효과적으로 유도 시킬 수 있는 구조적/물질적 특성이 부여된 세포담체를 제작하기 위한 신개념의 공정 기술이 요구된다.

따라서 최근에는 살아있는 세포가 포함된 바이오잉크로 저마다의 해부학적 특징과 생리학적 기능을 가진 조직으로 구현하는 바이오프린팅 연구가 활발히 진행되고 있다.

연구팀 역시 단방향 형상 변형을 통한 인체의 구조적/해부학적 구조는 물론 미세 환경을 모사할 수 있는 4D 프린팅 기술 방식을 도입하고자 했으며, 미세채널이 있는 콜라젠/ 하이드록시아파타이트 뼈 조직 재생용 세포담체 제작을 통해 각각의 조직 세포의 성장 및 분화를 돕고자 했다.

연구 결과, 4D 프린팅 기술로 바이오잉크에 포함된 인간 근육 전구세포가 자라나는 방향을 제어하는 데 성공했다.

더 나아가 손가락 크기(길이 15mm, 너비 7mm 깊이 3mm)의 치명적 근육손실이 있는 쥐의 전경골근에 자가 배열기능을 갖는 세포구조체를 이식하고 8주 후 이식 부위가 실제 근육처럼 재생되는 것을 확인했다.

4D 프린팅은 3D 프린팅된 구조물에 물질의 다양한 물리-화학적 특성을 이용하여 자가변형 기능을 가능하게 하는 기술이다.
 

◇ 4D 프린팅 기술로 동물 모델에서 손상된 조직을 완벽하게 재생

이번 연구 성과의 핵심은 프린팅 조건을 최적화하여 바이오잉크에 포함된 합성고분자의 배열을 제어함으로써 근섬유 다발처럼 정렬된 근육 모사 구조체를 제작했다는 것이다.

즉, 근육세포에 최적의 지형적, 생물학적 환경을 제공하여 근세포의 분화 및 재생 효과를 높였다.또한 세포담체에 포함된 근육 전구세포의 세포생존율도 높은(90%) 것으로 나타났다.

이렇게 각각 뼈 및 근육 조직에 특화된 생체적합성 소재 및 4D 프린팅 공정을 통해 제작된 세포담체는 실제 동물모델을 이용한 연구에서 손상된 조직을 완벽하게 재생시킬 수 있다.

연구팀은 근육조직 외에도 배열화된 다른 조직들 예를 들면 심근조직, 신경조직, 인대 등에도 응용할 수 있을 것으로 보고 있다.

김근형 교수는 “이번에 개발한 근육 및 뼈 조직은 단순한 타박상에 의한 작은 범위의 손상 뿐 아니라 큰 외상에 의한 조직 손상 등에도 응용할 수 있을 것으로 기대한다”라며 “실용화를 위해서는 다양한 세포를 세포담체에 접목시켜 그 효용성에 대한 연구 및 동물모델을 이용한 연구, 실제 사람에게서의 임상연구 등이 추가로 필요하다”라고 밝혔다.

한편 연구팀은 4D 프린팅 기술을 이용해 차의과대학 한인보 교수 연구팀과 함께 골조직 재생을 도울 세포담체를 개발, 척추유합 생쥐모델에 적용해 골조직 재생 효과를 확인했다. 기존 골이식재가 혈관 연결이 없는데 반해 미세채널 구조를 포함한 세포담체로 이식부위 주변 조직에서 혈관이 효율적으로 생성될 수 있도록 고안한 것이다.

이 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업 및 자연모사혁신기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 응용 물리학 분야 국제학술지 어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews)에 5월 4일(뼈 조직 재생) 및 5월 12일(근육 재생)에 게재(Featured Article)되었다.
 

[바이오타임즈=박세아 기자] news@biotimes.co.kr

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