[바이오타임즈] 전 세계적으로 고령화 추세가 빠르게 진행되면서 근골격계 질환 환자의 수가 급증하고 있다.

노화로 인한 근골격계 질환은 해당 부위가 퇴화하면서 과부하가 생겨 발생하며, 골다공증, 척추 병증, 추간판 장애 등이 있다.

만성 근골격계 질환을 앓는 고령 인구가 많아지면서 정형외과·척추 재생의료 제품 시장이 재생의료 시장에서 가장 큰 비중을 차지할 정도로 커졌다. Biotechnology Associates에 따르면, 2020년 정형외과·척추 재생의료 제품 시장은 전체 미국 재생의료 시장의 41%를 차지해 가장 큰 규모로 성장할 것으로 예측된다.

이같이 관련 시장이 커지면서 맞춤형 골 재생용 지지체 제작을 목표로 한 고기능성 지지체 연구도 활발해지고 있다. 효과적인 골조직 재생을 유도하기 위해서는 세포가 성장하고 분화하는데 적합한 환경을 조성해 줄 수 있는 지지체가 필요하다.

최근에는 이식 후 생체 내에서 분해되어 사라지는 생분해성 고분자가 조직 재생을 위한 지지체의 재료로 사용되고 있다. 기존에도 합성 폴리에스터 생체고분자인 폴리락티드-글리콜리드 공중합체(PLGA), 폴리락티드(PLLA), 폴리카프로락톤(PCL) 등이 체내 임플란트, 조직 재생, 약물 전달, 의료기기 및 의료용품의 주원료로 이용되어왔다.

하지만 이들은 체내에서 분해되면서 산성 분해 산물을 생성하며, 이는 조직의 괴사 및 염증반응을 일으키는 것으로 알려져 있다. 따라서 생분해성 의료기기를 임상에 적용하기 위해서는 염증반응을 억제할 수 있는 적절한 기술 개발이 절실하다.
 

◇차의과대학교 연구팀, 생리활성물질 함유 생분해성 고분자 지지체 개발로 골조직 재생 유도

한국연구재단(이사장 이광복)은 한동근 교수(차의과학대학교) 연구팀이 골조직 재생을 효과적으로 유도하기 위한 생리활성물질을 함유한 생분해성 고분자 지지체를 개발했다고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견 연구) 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 12월 8일 게재됐다.

연구팀은 “손상된 골조직이 재생되려면 일정 기간 구조를 유지하며 세포의 성장과 분화를 돕기 위한 지지체가 필요하다. 하지만 기존 생분해성 고분자 지지체는 이식 후 주변 조직의 산성도를 낮추어 산성화된 조직의 염증반응을 유발할 수 있다는 것이 숙제로 남아 있었다”라고 설명했다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 기존에 개발된 항염증 효능이 우수한 생분해성 지지체에 추가로 혈관 및 골 분화를 돕는 생리활성물질을 도입하여 효과적인 조직 재생을 유도하는 전략을 세웠다.

그간 수산화마그네슘을 포함한 고분자 지지체 개발을 통해 생체적합성 및 조직 재생능을 높이는 많은 연구를 수행해온 연구팀은, 그 연장선으로 골조직 재생을 위한 생분해성 고분자 지지체 개발 연구를 계획하고, 골조직 유래 세포외기질을 도입해 골 분화를 유도했다.

또한 골 분화 유도 단백질 BMP2와 생체활성 물질 PDRN을 사용한 나노복합체를 제작해 지지체의 골 분화능 및 혈관 재생능을 향상시켰다.
 

골조직을 모방할 수 있는 미세 환경을 조성하기 위해 송아지 뼈로부터 추출한 세포외기질을 활용했다. 세포외기질은 이식된 중간엽줄기세포가 지지체에서 잘 자라도록 돕는 성장인자와 세포가 인식할 수 있는 물리적 환경을 제공한다.

아울러 생분해성 고분자의 분해 산물에 의한 부작용을 최소화하기 위해 제산제나 연하제 등에 이용되는 무독성 수산화마그네슘 입자를 도입해 지지체 이식 주변 조직의 괴사 및 염증반응을 저해하고자 했다.

이렇게 개발된 생체 활성 지지체를 쥐의 두개골에 결손을 발생시키고 해당 부분에 이식했다. 그 결과, 8주 후 새롭게 형성된 골조직의 부피가 기존 지지체 대비 6배 증가했으며, 염증은 20배가량 감소했다. 재생된 혈관 수 및 부피도 정상 쥐와 유사한 수준으로 회복됐다.

차의학과학대학교 한동근 교수는 “이 연구에서 개발된 다기능성 골 재생용 생체활성 지지체는 골 형성능뿐만 아니라 항염증 작용을 비롯해 항균 작용 및 혈관재생까지 5가지의 우수한 특성이 있다”라며 “이는 지지체에 담지된 수산화마그네슘 및 세포외기질과 고정화된 나노 복합체의 시너지 효과이며, BMP2를 사용한 다양한 선행연구들과 다르게 비교적 적은 양의 BMP2를 사용했음에도 시간에 따라 지속적인 방출을 유도함으로써 효과적인 조직 재생을 유도하고 부작용을 줄일 수 있었다.”고 설명했다.

◇척추유합술 대체 지지체 및 정형외과·척추 재생의료 기기 제작 기술로 활용 가능

연구팀은 이 연구에서 개발된 생체활성 지지체의 조직 재생 유도능은 척추 손상 환자, 요추 협착증, 요추 수핵탈출증 환자를 대상으로 하는 기존 척추 유합술(Spinal Fusion) 대체 지지체로 활용 가능할 것으로 기대하고 있다.

또한, 골 결손, 치조골 재건 등과 같은 골조직 재생이 필요한 다양한 분야에 적용할 수 있으며, 제조과정 최적화를 거쳐 맞춤형 지지체 제작을 통해 다양한 정형외과·척추 재생의료기기 제작 기술로 활용될 수 있을 것으로 보고 있다.

다만, 실용화를 위해서는 무독성 지지체의 제조 및 제조과정의 최적화를 진행해야 하며, 구체적인 대동물 비임상시험 및 임상시험으로 안전성 및 유효성을 평가해야 할 것이다.

[바이오타임즈=정민아 기자] news@biotimes.co.kr

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