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연구성과 의학약학
피부 아래 췌장 조직 심어 당뇨병 치료한다 !
Bio통신원(UNIST)
- 등록2024.10.29
- 조회643
피부 아래에 췌장 조직을 이식해 혈당을 조절하는 새로운 당뇨 치료법이 나왔다.
UNIST(총장 박종래) 바이오메디컬공학과 강현욱 교수팀은 피하 조직에 이식해도 혈당 조절 기능을 할 수 있는 췌도 이식체를 개발했다. 췌도는 혈당 조절 호르몬인 인슐린을 분비하는 췌장 세포덩어리로, 심각한 인슐린 분비 장애를 겪는 제1형 당뇨환자의 간이나 신장에 이를 이식해 치료한다. 개발된 이식체는 간단한 절개로 시술할 수 있고, 부작용 발생시 간이나 신장과 달리 바로 회수 가능해 수술 부담과 합병증 등을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
그간 췌도를 간이나 신장에 이식해 온 이유는 풍부한 혈관 때문이다. 이를 통해 산소와 영양분을 공급받고 혈당을 감지해 인슐린을 분비하는 췌도의 기능을 발휘할 수 있다. 혈관 밀도가 낮은 피하 조직은 고려 대상이 아니었다.
연구팀은 다층 시트형 구조를 고안해 피하 조직에서도 효율이 높은 이식체 개발에 성공했다. 혈관과 췌도 간의 거리를 최소화할 수 있게 이식체의 상부층과 하부층에 췌도가 집중된 구조다. 또 췌도의 분포 밀도를 정교하게 조절해 충분한 산소와 영양분을 전달받을 수 있다. 췌도 외에 이식체를 구성하는 물질은 모두 생체 친화 물질이다.
이식체의 복잡한 구조는 정밀 바이오 3D 프린팅으로 찍어냈다. 이를 통해 인체 피하에 이식이 적합한 크기로도 제작 가능해 임상 적용성이 매우 우수하다는 설명이다.
또 면역 반응을 억제하는 항섬유화 약물을 이식체 안에 넣어 국소 전달할 수 있어 동물의 췌도를 사람에게 이식하는 이종 췌도 이식 분야에서도 잠재력을 보였다. 현재 췌도 이식은 주로 자가 췌장이나 장기 기증자의 췌장에서 분리된 췌도로 이뤄진다.
개발된 췌도 이식체를 이식받은 당뇨병 쥐는 4개월 동안 혈당 조절 효과를 유지했다. 연구팀은 개발된 이식체를 임상에 적용하기 위한 연구를 지속하고 있으며, 대동물 실험을 준비하고 있다.
강현욱 교수는 “이번 연구는 제1형 당뇨병 치료 기술 개발을 위한 새롭고 획기적인 접근법을 제시하고 있다.”며 “많은 당뇨 환자들의 삶의 질 향상에 큰 기여를 할 수 있을 것이다.”라고 말했다.
이번 연구는 세계적 권위의 학술지인 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)에 2024년 9월 23일 온라인 선공개됐으며, 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT)의 연구비 지원에 의한 산업기술 알키미스트 프로젝트 사업을 통해 수행됐다.
연구 결과 개요
1. 연구배경
제1형 당뇨병1) 치료 연구에서 췌도2) 이식의 중요성이 커짐에 따라 피하(피부 밑)3)에 이식 가능한 매크로 캡슐화 시스템(Macro-encapsulation system)4)들에 대한 연구들이 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 시스템들은 최소 침습적 방법으로 췌도를 이식할 수 있으며, 부작용이 있을 시 이식된 췌도의 회수가 용이하다. 또한 피하는 다른 장기에 비하여 합병증 발생률이 낮다는 장점을 지닌다. 그러나 피하 조직은 혈관 밀도가 낮아 영양소 및 산소 공급이 제한되며, 이는 이식된 췌도의 생존율 및 기능을 크게 저하시킨다. 이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 미리 혈관 구조를 추가하는 방법을 시도하고 있으나, 이는 시스템을 크게 복잡하게 만들 뿐만 아니라 혈관 세포의 면역원성으로 인해 임상 적용이 어렵다는 문제를 지니고 있다.
2. 연구내용
본 연구팀은 3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 혈관 밀도가 낮은 피하에서 높은 효율을 발휘할 수 있는 새로운 매크로 캡슐화 시스템을 개발하였다. 새로운 시스템은 췌도와 임상적으로 널리 사용되는 생체 재료만을 사용하여 개발되었으며, 간단한 구조를 지니고 있어 높은 임상 적용 가능성을 지녔다. 피하 조직에서 시스템의 효율성을 극대화하기 위해 본 연구에서는 두 가지 전략을 적용하였다.
첫째, 다층 시트형 매크로 캡슐화 시스템의 개발 및 정교한 프린팅을 통하여 이식된 췌도들이 피하 조직 내 혈관들과 최대한 가까이 위치할 수 있도록 하였다. 이를 위하여 다층 구조체 내 약 300μm 두께의 상/하부층에만 췌도들을 배치하여 혈관과 췌도 사이의 거리가 최소화 될 수 있도록 하였다. 이러한 구조적 특징은 생체 내에서 췌도로 원활한 영양소 및 산소 공급이 가능하도록 하였다.
둘째, 마이크로 두께의 상/하부층 내 췌도들의 밀도를 정교하게 조절하여 췌도의 기능이 장기간 높게 유지할 수 있도록 하였다. 이와 같이 본 연구에서는 혈관 밀도가 낮은 피하 조직에서 발생하는 문제들을 해결하는데 중점을 두었다. 뿐만 아니라, 개발된 시스템은 인체 피하에 이식이 적합한 크기로도 제작이 가능하여 임상 적용성이 매우 우수하다.
개발된 시스템의 당뇨 치료 효능은 동물 실험을 통해 입증되었다. 적은 양의 췌도(~250 췌도 등가량5), Islet equivalent, IEQ)를 이식했음에도 4개월 이상 높은 혈당 조절 기능을 발휘할 수 있음이 확인되었다.
더 나아가, 새로운 시스템은 항섬유화 약물6)의 국소 분비가 가능하여 이종 췌도 이식7) 기술의 개발에도 높은 잠재력이 있음이 확인되었다. 개발된 시스템으로 면역을 가진 당뇨병 쥐에서 이종 췌도의 기능을 한 달 이상 유지 시킬 수 있음이 입증되었다. 이종 췌도 이식 기술은 인간 췌도의 공급이 크게 제한되는 현재의 상황에서 잠재적인 해결책으로 큰 주목을 받고 있다. 돼지와 같은 이종 동물에서 얻은 췌도를 인간에게 이식하는 경우, 면역 거부 반응8)을 최소화하는 것이 중요한 과제인데, 본 시스템은 면역 거부 반응을 줄이면서도 이식된 췌도의 기능을 높게 유지할 수 있는 가능성을 보여주었다.
3. 기대효과
본 연구에서 개발된 새로운 췌도 이식체 시스템은 단순한 구조를 지니며, 피하에서 높은 효율을 보여주었다. 또한, 임상에서 검증된 생체 재료들로 구성되어 있어 높은 임상 적용 가능성을 지니고 있다. 이러한 특징들은 기존 연구들의 접근 방식을 혁신적으로 변화시킬 수 있으며, 효용성이 높은 제1형 당뇨병 치료 기술의 개발에 새로운 가능성을 제시하고 있다.
또한, 새로운 시스템은 췌도 공급 부족 문제를 해결할 수 있는 이종 췌도 이식의 가능성을 열어주고 있다. 본 연구에서 개발된 이식체는 피하 이식의 간편함과 비용 절감 효과, 그리고 낮은 합병증으로 인해 당뇨 환자들의 삶을 크게 향상시킬 수 있을 것이다.
그림 1. 연구 전략의 도식. [사진=UNIST]
그림 2. 3D 프린팅 이식체의 이미지. 각각 췌도(Pancreatic Islets) 이식체의 상단 (췌도 이미지 스케일 바, 300 µm), 측면 및 바깥층의 형광 측면 이미지. 형광 측면 이미지를 통해 위층과 아래층에 췌도가 밀집된 것을 확인할 수 있다. (스케일 바, 300 µm). [사진=UNIST]
그림 3. 항섬유화 약물을 포함하지 않는 췌도 이식체(좌)와 포함하는 이식체(우) 현미경 이미지 (스케일 바, 100 µm). [사진=UNIST]
그림 4. 환자에게 적용 가능한 이식체 스케일업 구조체의 제작 결과 (130 mm × 130 mm)의 이미지. [사진=UNIST]
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