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[톡톡인터뷰 #울림] 3D프린팅으로 치주염을 치료한다고? - 문재이 님

Bio통신원(BRICx과학커뮤니케이터)

등록2024.12.23
조회2981

"톡톡인터뷰"는 BRIC과 과학커뮤니케이터가 함께 만들어 가는 기획인터뷰입니다.
과학커뮤니케이터가 진행하는 인터뷰를 통해 최신 연구성과를 소개하고 연구경험과 에피소드를 중심으로 생생한 연구자의 삶과 이야기를 나누어보고자 합니다.
톡톡인터뷰는 최근 소개된 한빛사 연구자들 중 제1저자분들을 만나보는 인터뷰로 월 1편씩 총 10편의 영상인터뷰를 소개하게 됩니다. (BRIC 운영진)

BRIC x 과커 <톡톡인터뷰> #울림

Q. BRIC과 과학커뮤니케이터가 만났습니다. 과학커뮤니케이터 울림이 연구자를 모시고 톡톡 인터뷰를 진행해 보겠습니다. 오늘의 톡톡인터뷰는 서울대 치의학대학원 문재이 님을 모셨습니다. 소개 부탁드릴게요.

안녕하세요. 저는 현재 서울대학교 치의학대학원에서 김우진 교수님 지도하에 박사과정 진행중인 문재이입니다. 이번에 한빛사에 등록된 논문은 3D 프린팅된 이층 구조 나노복합 하이드로겔 기반의 플랫폼을 통해 치주염의 치료를 돕는 연구를 다루고 있는 논문입니다. 이 플랫폼은 약물을 효율적으로 전달할 수 있는 이중 약물 전달 시스템으로 구성되어 있으며, 치주 조직의 재생과 골 형성, 그리고 항균 효과를 모두 갖춘 점이 특징입니다.

Q. 연구분야/연구주제 선택의 이유를 말씀해 주세요.

치주염은 전 세계적으로 많은 사람들에게 영향을 미치는 만성 염증성 질환으로, 기존 치료법은 주로 질병의 진행을 늦추는 데 그치는 경우가 많습니다. 특히 치과 분야에서 Guided tissue regeneration (GTR)은 흔하게 쓰는 뼈 재생 치료 방법인데, GTR이 지금까진 Collagen matrix를 쓰는 걸로 알려져 있습니다. 하지만 이미 재생이 능력이 저하되어 있는 노인이나 만성 환자의 경우 이 방법은 효과적이지 않습니다 . 그래서 이걸 기능화 해서 functional한 membrane 제작의 필요성이 느껴졌고 최근 바이오프린팅을 이용한 맞춤형 스캐폴드 제작 연구와 연결 시켜보고자 했습니다. 게다가 3D 프린팅의 재료로 쓰이는 GelMa라는 성분의 물성이 GTR을 견딜만한 정도가 아니었기 때문에 키틴나노 크리스탈(Chitin nanocrystals)로 물성을 높여서 개발하면 좋겠다고 생각했었고, 마침 이와 관련된 연구를 보고한 팀과 협력할 기회가 생겨서 함께 연구를 진행했습니다.

이 연구는 Chitin 나노결정과 지질 나노입자를 활용하여 두 가지 약물(포도씨 추출물과 심바스타틴)을 지속적으로 전달하는 약물 전달 시스템을 개발하였고, 세포 및 동물실험에서 치주염 병원균을 효과적으로 억제하는 동시에 뼈 형성 마커를 활성화하여 조직 재생을 촉진할 가능성을 보여주었습니다.

처음에는 단단한 뼈에서 일어나는 다양한 과정에 흥미를 느끼며 재생 관련 연구를 시작하게 되었습니다. 특히, 3D 프린팅 기술이 재생 의학에 미치는 영향을 보며, 이 기술을 치주 재생 분야에도 적용해보고자 하는 동기를 얻었습니다.

Q. 연구하면서 OO했던 에피소드 소개해주실 수 있으실까요?

가장 어려웠던 순간은 초기 실험 단계에서 동물 모델에서 결손 부위를 정확하게 재현하는 과정이었습니다. 결손 부위를 0.5~1mm 깊이로 정교하게 조성해야 했는데, 작은 치주 결손 영역에서 작업해야 하다 보니 정밀도가 굉장히 중요했습니다. Rat은 입은 작은데 매우 안쪽에 어금니와 같은 치아가 존재하기 때문에 입과 볼을 벌려서 수술을 해야했고 결손 부위를 찾고 그 부분을 수술하는 동안 고정하는데도 큰 어려움이 있었습니다. 또한 수술 과정에서 위치 선정 및 손실 깊이의 변화가 전체 실험에 영향을 미칠 수 있어서, 처음 몇 번의 시도는 어려움이 많았습니다. 하지만 팀원들과 협력하여 프로토콜을 세밀하게 조정하고 재현성 있게 고정하는 방법 등을 고안해서 안정적인 모델을 구축한 후에는 실험이 순조롭게 진행되었습니다.

놀라웠던 순간은 Micro-CT 데이터를 처음 분석했을 때입니다. 하이드로겔 이식군에서 이식 후 28일차에 신생 뼈가 명확히 형성되고, 결손 부위에서 비어져있던 뼈의 빈 공간 주변으로 뼈가 자라 서로 연결되어 뼈 다리(bone bridge)형성으로 완전히 연결된 것을 확인했을 때 정말 놀랍고 기뻤습니다. 반면 대조군에서는 뼈 재생이 거의 이루어지지 않았기 때문에, Hy@SIM-GSE 하이드로겔의 뚜렷한 효과를 데이터로 확인한 순간은 연구의 방향성과 목표가 올바르다는 확신을 가지게 했습니다.

감사했던 순간은 면역조직화학적 분석에서 Runx2와 OCN 발현 데이터를 얻었을 때입니다. 초기 뼈의 형성에서의 마커로 알려진 Runx2가 POD 14에 강하게 발현되고, 후기 마커인 OCN이 POD 28에 최고치를 기록한 데이터를 보면서 하이드로겔이 초기 골 형성과 성숙 단계 모두에 효과적으로 기여했다는 것을 확인할 수 있었습니다. 이 데이터는 단순히 골 재생 효과뿐 아니라, 치유 메커니즘 전반을 설명할 수 있는 중요한 근거가 되어 매우 뜻 깊은 순간이었습니다.

Q. 디테일하게 연구 결과를 살펴보고 싶은데, 연구 내용을 조금 더 설명해주실 수 있으실까요?

저희 연구에서는 치주염 치료를 위한 하이드로겔 플랫폼의 유효성을 검증하기 위해 마지막으로 치주염 모델에서 뼈 재생과 염증 억제 효과를 검증하고자 하였습니다. Rat Fenestration Defect Model을 사용하여 재생 능력을 마이크로시티로 보고자 하였습니다. 해당 모델에서 결손부위를 하이드로겔로 결손 부위를 덮었고(figure 6B), 대조군은 콜라겐 스폰지를 사용해 두 그룹 간 효과를 비교했습니다.

논문에 사용된 figure위주로 다시 보시게되면, Micro-CT 분석(Figure 6C, D, E) 결과, 하이드로겔 이식군에서 POD 14와 POD 28 사이에 뼈 표면 면적, 골 밀도(BMD), 그리고 골 부피 비율(BV/TV)이 유의미하게 증가했으며, 이는 대조군에서 관찰된 결과와 명확히 대비되었습니다. 특히 POD 28에는 결손 부위에서 신생 뼈가 형성되고, 뼈 다리(bone bridge)가 완전히 연결된 모습이 관찰되었습니다. 이러한 데이터는 하이드로겔이 치주염으로 인한 골 손실 부위의 재생을 효과적으로 촉진했음을 증명할 수 있었습니다. 조직학적 분석(Figure 6F)에서 하이드로겔 이식군에서 뚜렷한 신생 뼈 형성이 관찰되었습니다. 면역조직화학적 분석(Figure 6G, H)에서는 골 형성 초기 단계에서 Runx2가 POD 14에 가장 강하게 발현되었고, 성숙 단계의 마커인 OCN은 POD 28에서 가장 높게 나타났습니다. 이러한 데이터는 하이드로겔이 골 형성 초기와 성숙 단계 모두에 효과적으로 역할을 함을 확인할 수 있었습니다.

물론 본 연구 이후에는 Hy@SIM-GSE 하이드로겔의 임상적 적용 가능성을 높이는 데 초점을 맞출 필요가 있으며 임상적인 적용을 위해선 인간 치주 조직 크기와 유사한 대동물 모델에서의 검증이 필수적이라 생각합니다. 그리고 이러한 결과들이 치주염 모델 외 다양한 뼈와 관련될 질병 모델의 재생 치료 분야로 적용될 수 있는 가능성이 있기 때문에 그 부분으로의 가능성을 확장하면 폭넓게 활용하거나 좋은 인사이트를 줄 수 있을거라 생각합니다.

출처 : Jae-I Moon et al., Hierarchical Chitin Nanocrystal-Based 3D Printed Dual-Layer Membranes Hydrogels: A Dual Drug Delivery Nano-Platform for Periodontal Tissue Regeneration. ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c05558

Q. 치주염을 치료할 수 있는 패치를 3D 프린팅으로 제작하기 위한 재료, 3D 프린팅 공정 (3D 스캐폴드 모양), 그리고 방출을 위해 넣은 약물 군을 설정하게 된 과정과 에피소드가 있다면!?

치주염 치료를 위한 패치를 개발하는 과정은 재료 선택, 프린팅 공정, 그리고 약물 방출 시스템의 설계라는 세 가지 핵심 단계를 중심으로 진행되었습니다. 각 단계마다 예상치 못한 어려움과 시행착오가 있었지만, 그 과정을 통해 최적의 솔루션을 찾아가며 최종적으로 성공적인 결과를 얻을 수 있었습니다.

재료 선택 단계에서는 치주 조직처럼 복잡한 구조를 재현하면서도 기계적 강도와 세포 친화성을 모두 충족하는 조합을 찾아야 했습니다. 이에 따라 골 형성을 촉진하는 특성을 가진 Chitin 나노결정(ChWs)과 세포 친화적인 GelMA를 결합한 재료를 사용했습니다. 그러나 ChWs는 소수성이 강해 생체 내 안정성이 떨어지는 단점이 있었기에, GelMA와의 결합을 통해 이러한 한계를 극복하고 치주 조직의 특성을 재현할 수 있는 최적의 조건을 확보했습니다.

다음으로 약물로는, 치주염 치료를 위해 뼈 형성과 함께 항균 활성을 동시에 가질 수 있는 두 약물을 사용하였습니다. 심바스타틴은 당뇨 치료제인데 지질 강화를 시킨다고 알려져 있습니다. 고지혈증에 주로 쓰이는 치료제인데, 뼈 형성 효과가 최근 알려져 있어서 선택하게 되었습니다. 포도씨 추출물은 폴리페놀류의 항균 활성이 있는 게 알려져 있었고 공동 연구진에 의해 선행 연구로 밝혀진 바 있어서 쓰게 되었습니다.

프린팅 공정에서는 치주 조직의 복합적인 요구를 충족하기 위해 이층 구조를 설계했습니다. 치아에 가까운 층은 다공성 구조로 세포 이동과 조직 재생을 지원하도록, 반대쪽 층은 약물을 천천히 방출하면서 조직을 보호할 수 있는 고밀도 구조로 디자인했습니다. 초기 다공성 층은 구조가 너무 약하거나 프린팅 중 무너지는 문제가 있었고, 고밀도 층은 지나치게 단단해 층 간 연결이 약화되는 문제를 겪었습니다. 이를 해결하기 위해 프린팅 속도와 점탄성을 세밀히 조정하며 반복 실험을 통해 구조적 안정성과 기능성을 동시에 만족하는 공정을 개발했습니다.

마지막으로 약물 방출 시스템 설계에서는 서로 다른 물리적 특성을 가진 심바스타틴(SIM)과 포도씨 추출물(GSE)을 효과적으로 제어하는 데 많은 노력이 필요했습니다. 두 약물은 생체 내에서 안정적으로 존재하지 못하거나, 방출 속도가 균일하지 않은 문제가 있었기 때문에 이를 해결하기 위해 LNP(지질 나노입자)를 활용해 약물의 안정성을 높이고, 천천히 방출되도록 설계했습니다. 최종적으로, 두 약물이 28일 이상 지속적으로 방출되며 골 형성과 항염 효과를 동시에 발휘하는 시스템을 완성할 수 있었습니다.

결국, 개발된 패치는 치주 조직의 구조와 기능을 정교하게 재현하며, 약물의 안정적인 방출을 가능하게 하는 혁신적인 플랫폼으로 완성되었습니다. 과정 중 여러 어려움이 있었지만, 이러한 도전들을 극복해 최적의 결과물을 만들어냈다는 점에서 큰 보람을 느꼈습니다.

Q. 동물실험에서의 에피소드가 궁금합니다! 그리고 이 치주염 치료제에 관련 진행 중인 미래 연구가 있으실까요? 또 미래 활용 방향은 어떻게 예상하시나요!?

동물 실험에서 가장 당황했던 순간은 초기 데이터 분석 결과에서 대조군과 실험군 간 차이가 뚜렷하지 않았던 때였습니다. 처음엔 치주염 결손 모델 중 항균 활성과 뼈 형성을 확인할 수 있는 모델을 선정하고자 했는데 ligature나 LPS는 bone defect 부분의 재현성 문제가 있었고 여러번 시도했는데 많이 재현성이 일어나지 않았습니다. 또한 하이드로겔이 효과가 없었던 것처럼 보였던 것이죠. 결국 mouse molar가 너무 작고 깊숙하게 있어서 수술하기 힘들었다. 수술한 다음에 잇몸으로 덮는 과정이 굉장히 까다로웠지만, 재현성이 높은 모델이라 이 부분만 해결하면 테스트가 가능했던 것 같아 끈기있게 했던 것으로 기억합니다. 결손 부위의 크기와 깊이를 엄격히 표준화하고, 하이드로겔을 결손 부위에 안정적으로 부착하는 방법을 개선한 뒤부터는 뚜렷한 재생 효과를 확인할 수 있었습니다. 이 경험을 통해 실험의 세밀함과 반복성의 중요성을 다시 한번 느꼈습니다.

현재 치주염 치료는 병의 진행을 늦추는 데 중점을 두고 있지만, 저희 연구에서 제안한 하이드로겔은 뼈 재생과 항염증 효과를 동시에 기대할 수 있어, 앞으로 재생 의학 분야에서 더 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 보입니다. 특히 3D 프린팅 기술을 통해 환자 맞춤형 치료제로 발전할 가능성도 있으며, 장기적으로는 치주염 환자들의 삶의 질을 향상시키는 데 기여할 수 있을 것이라고 생각합니다

미래 연구에서는 chromatin 구조와 3D 프린팅 기술을 결합해 다양한 질환의 치료 가능성을 열어가고 싶습니다. 쉽게 말하면, chromatin의 구조 변화는 세포 안에서 유전자 활동을 조절하는 '스위치' 같은 역할을 합니다. 이 스위치를 켜거나 끔으로써 세포가 특정 역할을 하도록 유도할 수 있습니다. 예를 들어, 이 스위치를 조작하면 세포가 뼈를 만들지, 신경을 만들지 등을 결정할 수 있죠.

3D 프린팅 기술을 활용하면 이런 과정을 훨씬 정교하게 설계할 수 있을거라 생각이 듭니다. 3D 프린팅을 이용하여 chromatin 구조를 변화시킬 수 있다면, 손상된 뼈나 조직이 원하는 형태로 재생되도록 유도할 수 있습니다. 이렇게 하면 기존에 치료가 어려웠던 조직 손상 문제를 해결하는 데 큰 도움이 될 것입니다.

이 접근법은 뼈 재생뿐만 아니라 암 치료, 심장 재생, 신경 손상 복구 같은 다양한 질환 치료에도 적용할 수 있습니다. chromatin이라는 '스위치'와 3D 프린팅 기술의 결합을 통해 더 나은 치료법을 개발하고, 환자 개개인에게 최적화된 맞춤형 치료를 제공할 수 있을 거라 생각합니다.

Q. 연구하면서 기억에 남는 에피소드가 있다면 '이제는 말할 수 있다?! '

연구하면서 기억에 남는 에피소드는 저의 하루가 세포와 동물들의 컨디션에 따라 좌우된다는 점에서 비롯됩니다. 실험을 준비할 때마다 느끼는 건, 저의 일상이 온전히 세포와 동물의 상태에 달려 있다는 점이에요. 세포가 원하는 밀도로 잘 자라지 않거나, 동물의 상태가 미세하게라도 변하면, 실험 계획이 하루아침에 엉킬 때가 많습니다. 이런 연구 환경 속에서 저 스스로 유연함을 배워가고 있습니다. 예상치 못한 상황에 대비하기 위해 항상 계획을 두세 단계로 나눠 준비하거나, 실패했을 때도 침착하게 해결책을 찾는 연습을 하게 되었죠. 결과적으로, 저의 일상이 세포와 동물의 컨디션에 맞춰 돌아가긴 하지만, 이런 불확실성 속에서 연구자로서의 끈기를 배우고 성장할 수 있었던 것 같습니다.

왜 이 분야를 선택했느냐는 질문에는, 저는 처음부터 치주염 치료에 관심이 있었던 건 아닙니다. 사실 저는 뼈의 분화 단계와 노화 과정에서 나타나는 후성유전학적 변화에 더 큰 관심이 있었습니다. 이러한 연구를 통해 세포가 어떻게 환경 신호에 반응하고, 유전자 발현이 어떻게 조절되는지 이해하는 것이 저에게는 굉장히 흥미롭게 다가왔습니다. 그러다 치주염이라는 질환이 이러한 뼈 분화와 조직 재생 과정과 밀접하게 연관되어 있다는 점을 알게 되었고, 이를 통해 제 연구를 실제 치료제 개발과 같은 실질적인 응용 분야로 연결할 수 있다는 점이 매력적으로 느껴졌습니다. 이러한 점에서 자연스럽게 치주염 치료 연구로 확장하게 되었습니다.

다시 선택의 기회가 주어진다면, 저는 이 길을 다시 선택할 것 같습니다. 무엇보다도, 모르는 것을 하나씩 알아가는 과정에서 느끼는 즐거움이 여전히 저에게 큰 동기부여가 됩니다. 연구를 하다 보면 예상치 못한 결과나 새로운 관점을 발견할 때가 많은데, 그럴 때마다 '왜 이런 결과가 나왔을까?'라는 질문을 던지며 해결해 나가는 과정에서 얻는 성취감이 정말 큽니다. 이러한 과정 속에서 몰랐던 부분을 알아갈때의 즐거움을 생각하면 전 다시 선택의 기회가 주어져도 이 분야를 선택할 것 같습니다.

앞으로 이루고 싶은 목표는 후성유전학을 기반으로 뼈 분화와 재생 과정의 근본적인 메커니즘을 깊이 이해하는 것입니다. 저는 기초가 튼튼해야만 치료법 개발과 같은 응용 연구에서도 장기적으로 의미 있는 결과를 낼 수 있다고 믿습니다. 현재 진행 중인 연구도 이 기초를 다지는 데 초점을 맞추고 있으며, 탄탄한 기반 위에서 더 큰 연구적 발전을 이루는 것이 제 목표입니다.

Q. 실험하면서 나만의 개꿀팁이 있다면 공개해주세요.

IF(면역형광) 실험에서 마운팅 과정은 세포나 샘플을 손상시키지 않도록 신경 써야 하는 중요한 단계입니다. 커버글라스를 올리고 기포를 제거할 때, 유리 슬라이드가 깨질 위험이 있는데요, 이를 방지하기 위해 표면적이 넓은 도구(예: 피펫 팁의 끝부분)를 사용해 부드럽게 눌러 기포를 빼내는 방법을 사용합니다. 이렇게 하면 압력이 분산되어 유리가 깨질 위험을 줄이고, 샘플이 고르게 접착되도록 도와줍니다. 그리고 액체 상태에 들어있던 세포가 마지막 반응에서는 석션을 해서 커버글라스의 남은 액체를 제거해주면 이후 샘플링을 하는 과정에서 더 선명한 이미지를 얻을 수 있습니다. 간단한 방법이지만, 세심하게 신경 써야 샘플 손실을 줄일 수 있습니다.

Q. 마지막으로 나에게 하고 싶은 말을 영상편지로 남겨주세요.

(22:00 궁금하신 분은 영상에서 확인해주세요.)

[사진제공 : 울림]

(끝)

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인터뷰이 : 문재이 (서울대학교 치의학대학원)

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인터뷰어 : 울림 (황승현)

-포항공대 화학공학 및 기계공학 학사 및 석사
-2023 페임랩 코리아 최우수상
-BRIC 연재 'Allure of Life : 매력적인 삶 그리고 생명'
-인스타(ullim_olim), 유튜브채널(@ullim.science)

본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다.
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