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맞춤형 인공 근육 제작한다
의학약학 기초과학연구원 (2021-02-22)

IBS 나노의학 연구단 조승우 연구위원, 연세대학교 진윤희 연구교수, 전은제 학생 연구원

<IBS 나노의학 연구단 조승우 연구위원, 연세대학교 진윤희 연구교수, 전은제 학생 연구원>


기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단(단장 천진우) 조승우 연구위원(연세대 생명시스템대학 생명공학과 교수) 연구팀은 매사추세스 공과대학교(MIT) RLE(Research Laboratory of Electronics) 공동 연구진과 함께 근육 손상 질환 치료를 위한 맞춤형 인공 근육 제작 플랫폼을 개발하였다.

근육은 몸무게의 40%를 차지하는 가장 큰 기관으로, 움직임이 필요한 모든 부분에 위치하여 우리 삶을 영위하는 데 중요하다. 이 중 뼈나 힘줄에 붙어 움직임을 만드는 골격근은 뛰어난 자가 재생 능력이 있지만, 이를 넘어서는 외상이 생기면 영구적인 조직손상으로 이어져 치료가 매우 어렵다. 현재 유리 기능성 근육(free functioning muscle) 이식이 유일한 근육질환 치료법으로 꼽힌다. 그러나 이식 가능한 근육 조직을 구하기 어렵고 면역 거부 반응이 일어나거나 이식 후 조직 기능이 저하되는 등 여러 문제가 있었다. 연구팀은 면역 거부 반응이 없는 환자 맞춤형 인공 근육을 개발하여 기존 의학의 한계를 극복했다.

연구팀은 우선 ‘열 인장 기술(thermal drawing method)’을 이용해, 골격 역할을 하는 미세한 다공성(多孔性) 구조의‘폴리카프로락톤(polycaprolactone, 이하 PCL) 파이버’를 개발했다. PCL 파이버는 골격근 결손 부위의 크기와 형태에 따라 길이와 다공성을 정밀하게 조절할 수 있다. 환자 맞춤형 인공 근육 제작 플랫폼을 개발한 것이다.

개발한 PCL 파이버에 피부세포를 근육세포로 전환하는 ‘직접교차분화기술(direct cell reprogramming)’을 사용해 근육세포를 배양했다. 비교적 채취하기 쉬운 자가 피부세포를 사용해 이식에 필요한 근육 세포를 확보하고 면역거부반응 문제를 해결한 것이다. 또한 근육 조직 특이적 생화학적·물리적 환경을 조성할 수 있는 ‘근육 탈세포 매트릭스(decellularized muscle extracellular matrix)’를 도입했다. 그 결과, 근육세포 직접 교차분화 효율이 향상되어 기능성 인공 근육 조직 제작에 성공할 수 있었다.

연구진은 개발한 인공 근육 조직을 근육 손상 부위에 이식해 근육 재생 경과를 관찰했다. 그 결과 손상된 근육 조직이 재생될 뿐 아니라 기존 근육 재생법보다 혈관과 신경 조직의 재생정도가 크게 향상되었다. 인공 근육의 치료 성능을 실험으로 입증하여 임상 적용 가능성을 보여준 것이다.

조승우 연구위원은 “기존 근육질환 치료 방법을 대체할 수 있는 새로운 의료기술 개발에 성공하였다”라며 “추후 실제 임상 적용을 위해 대동물모델에서 근육 재생 효능과 안전성을 더욱 면밀히 평가할 계획”이라고 전했다.

이번 연구성과는 진윤희 연구교수와 전은제 학생 연구원이 주저자로 참여하여, ‘어드벤스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF 27.398)’에 2월 19일 오후 9시(한국시간) 게재되었다.
 

연 구 추 가 설 명

논문명
Functional skeletal muscle regeneration with thermally drawn porous fibers and reprogrammed muscle progenitors for volumetric muscle injury
저자정보

Yoonhee Jin, Dena Shahriari, Eun Je Jeon, Seongjun Park, Yi Sun Choi, Jonghyeok Back, Hyungsuk Lee, Polina Anikeeva, Seung-Woo Cho

연구이야기
[연구 배경]
근육은 인체의 무게 중 40%를 구성하는 가장 큰 기관으로 움직임이 가능한 모든 부분에 위치하여 생명 유지에 필수적이다. 근육 조직은 뛰어난 자가 재생 능력이 있어 가벼운 부상에는 스스로 회복할 수 있는 특징이 있지만, 근육의 재생 능력을 초과한 충격적인 외상 (volumetric muscle loss) 이 생기면 치료가 매우 어려워져 임상적으로는 자가 기능성 유리 근육을 이식하는 외과적 시술이 유일한 방법이다. 하지만 이식 가능한 조직 부족, 이식 후 기능 저하 등의 문제가 있어 적절한 조직재건 기술 개발이 아직 이루어지지 못한 실정이다.

[연구 과정] 연구팀은 위와 같은 의학적 난제를 해결하기 위해 열 인장 기술 (thermal drawing method)과 염 침출법 (salt-leaching method)을 융합하여 미세구조를 가진 다공성 파이버 제작 기술을 개발하고, 근육 조직 특이적 세포외기질 매트릭스 (decellularized muscle extracellular matrix)와 함께 근육 세포 직접 교차 분화 (direct cell reprogramming) 효율 증진을 위한 지지체로 활용하여 기능성 인공 근육 조직 개발에 성공했다. 개발된 인공 근육 조직은 마우스 근육 손상 모델에 적용하였을 때, 기능성 근육 조직 재생뿐만 아니라 유의미한 혈관 및 신경 조직 재생까지 유도하는 것을 확인하여 기존 근육질환 치료 방법을 대체할 수 있는 새로운 바이오 하이브리드 근육 조직을 개발했음을 입증했다.

[어려웠던 점] 개발한 다공성 파이버에 근육세포를 배양하여 인공 근육을 제작하고, 이를 움직임이 많은 골격근 결손 부위에 안정적으로 고정해 조직재생을 확인하는 것이 어려웠다. 본 연구진은 근육 조직 특이적 세포외기질 매트릭스와 강력한 조직 접착력을 가진 자연 모사 생체재료를 활용하여 실험적 방법을 고안하고, 이를 극복했다.

[향후 연구계획] 연구팀이 개발한 파이버 제작 기술은 골격근 결손 부위 크기에 맞춰 다양한 가공이 가능하고, 환자로부터 비교적 손쉬운 채취가 가능한 피부세포를 직접 교차 분화하여 근육세포를 사용하기 때문에 면역거부반응이 없는 자가 세포치료제다. 환자 맞춤형 인공 근육 제작 플랫폼을 개발했다는 점에서 큰 의미가 있다. 향후 임상적 적용을 위해 바이오 하이브리드 근육의 조직재생 기작에 있어 면밀한 분석이 필요할 것으로 사료된다.

연구진이 개발한 인공 근육 조직 개발 및 생체 적용 모식도

그림 1. 연구진이 개발한 인공 근육 조직 개발 및 생체 적용 모식도
‘열 인장 기술’로 제작한 PCL 파이버에 ‘직접 교차 분화기술’로 제작한 근육세포를 배양했다. ‘탈세포 매트릭스’를 도입해 근육세포 성숙을 앞당겨(분화 촉진) 기능성 인공 근육 조직을 제작해냈다. 마우스의 골격근 결손 부위에 이식한 결과 손상된 근육조직과 혈관, 신경조직이 성공적으로 재생되었다.

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