바이오인

골조직 재생 유도하는 생체모방 지지체 개발

골 재생능 극대화로 골다공증 치료 활용 가능 기대

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 한동근 교수(차의과학대학교) 연구팀이 다공성 골조직 재생을 유도하기 위한 산화아연 나노입자를 도입한 생체모방 지지체를 개발했다고 밝혔다.

□ 손상된 골조직이 재생되려면 일정기간 동안 구조를 유지하며 세포의 성장과 분화를 돕는 지지체가 필요하다.

○ 그러나 기존의 생분해성 고분자 지지체는 이식 후 염증 반응을 유발해 이를 억제할 수 있는 기술 개발이 절실했다.

○ 또한, 조직 재생의 최적화를 위한 지지체의 생체활성을 높이고, 세포적합성과 기능을 개선하기 위한 전략 마련이 시급한 상황이다.

□ 이에 연구팀은 기존에 개발된 생체모방 지지체에 추가적으로 혈관 및 골 분화를 돕는 산화아연 나노입자를 도입하여 손상된 골조직의 조직 재생능을 향상시키는 전략을 세웠다.

○ 지지체는 혈관형성에 중요한 역할을 하는 산화질소의 방출을 유도하기 위해 산화아연 나노입자를 사용했고, 나노입자의 표면에 1차 골다공증 치료제인 알렌드로네이트과 골형성 단백질 BMP2*를 결합시켜 골다공증성 골 재생능을 극대화했다.

※ BMP2(Bone morphogenetic protein 2) : FDA에서 승인된 성장인자로, 척추 불유합, 치조골 재생 등 다양한 골 조직 재생에 가장 많이 사용되고 있다.

○ 또한, 송아지 골에서 추출한 무기 성분의 세포외기질과 탈회*과정을 통해 추출한 유기 성분의 세포외기질을 일정 비율로 혼합하여 실체 골조직 환경과 지지체가 유사하게 만들었으며, 수산화마그네슘*을 첨가해 고분자 분해산물에 의한 부작용을 최소화했다.

※ 탈회 : 칼슘 등의 광물질을 함유하는 생체 조직에서 킬레이트제 등을 사용하여 광물질을 제거하는 과정.

※ 수산화마그네슘 : 무독성 세라믹 입자로 산성 분해산물을 중화시켜 주변 조직의 염증이나 괴사를 억제하는 역할을 함.

□ 연구팀은 골다공증을 유도한 쥐의 두개골에 4 mm의 결손을 발생시킨 후, 개발한 생체모방 지지체를 이식했다.

○ 실험 8주 후 새롭게 형성된 골 조직의 부피가 기존 지지체 대비 7배 이상 증가한 것으로 나타났다. 골다공증성 인자의 발현과 혈관형성은 역시 정상 쥐와 유사한 수준으로 회복되었다.

□ 이번 연구 결과에 대해 한동근 교수는 “개발된 지지체는 가혹한 골다공증성 환경을 극복하여 골 재생을 촉진할 수 있음을 증명한 것으로, 이를 통해 초고령화 사회의 대표 질환인 골다공증 환자의 골 결손 치료에 활용이 가능할 것으로 보인다”고 밝혔다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오의료기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 12월 29일 게재되었다.

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 연구이야기

1. 연구의 필요성

○ 뼈는 몸을 지탱하고 뇌와 내장을 보호하는 역할을 한다. 인간은 태어날 때 약 305개의 뼈를 갖고 있지만, 이 중 100여 개의 뼈가 성장하면서 서로 합쳐진다. 뼈는 서로 톱니처럼 단단하게 결합해 다양한 장기를 보호하고, 외부로부터의 충격을 분산, 완화시키는 역할을 하게 된다.

○ 전 세계적인 고령화 추세와 함께 골다공증 및 골 관련 질환 보유 인구가 증가하고 있어 관련한 재생의학 시장도 지속적으로 증가하고 있다.

○ SMARTtrak에 따르면, 골이식편/골대체재의 세계 시장 규모는 2021년에 28억 달러(3조 4천억원)를 기록했으며, 2027년에는 40억 달러(4조 9천억원)에 달할 것으로 예상되고 있다.

○ 최근에는 이식 후 생체 내에서 분해되어 사라지는 생분해성 고분자가 조직재생을 위한 지지체의 재료로서 사용되고 있다. 기존에도 합성 폴리에스터 생체고분자인 폴리락티드-글리콜리드 공중합체(PLGA), 폴리락티드(PLLA), 폴리카프로락톤(PCL) 등이 체내 임플란트, 조직재생, 약물전달, 의료기기 및 의료용품의 주원료로 이용되고 있다.

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

○ 또한 생분해성 고분자 지지체에 의한 조직재생을 최적화하기 위해서는 지지체의 생체활성을 높이고, 세포 적합성, 재생 유도능 및 기능을 개선하기 위한 전략이 필요하다.

2. 연구내용

○ 연구팀은 골다공증성 골조직 재생 효능을 증대시키기 위해 기존에 개발된 생체모방 지지체에 추가적으로 혈관 및 골 분화를 돕는 산화아연 나노입자를 도입하여 효과적인 조직재생을 유도하였다.

○ 혈관형성에 중요한 역할을 하는 산화질소의 방출을 유도하기 위해 산화아연을 선택하였고, 추가적인 기능 부여를 위해 골다공증 치료제인 알렌드로네이트와 골 재생을 위한 성장인자인 BMP2를 선택했다.

○ 이 두 가지 물질을 산화아연 나노입자의 표면에 결합하여 나노입자를 제작하였고 이를 생분해성 지지체에 담지함으로써 혈관재생과 골다공증 환경에서의 골재생 두가지 모두를 촉진하는 형태로 재생 효능을 향상 시켰다.

○ 골조직을 모방한 지지체 내 미세환경을 조성하기 위해 송아지 골에서 추출한 무기성분의 세포외기질과 탈회과정을 통해 추출한 유기성분의 세포외기질을 일정 비율로 혼합하여 지지체가 실체 골조직의 환경을 모방할 수 있도록 하였다.

○ 또한 생분해성 고분자의 분해산물에 의한 부작용을 최소화하기 위해 염기성 수산화마그네슘 입자를 도입하여 지지체가 이식된 조직 주변의 괴사 및 염증반응을 저해하고자 하였다.

○ 연구팀은 산화아연 나노입자, 세포외기질 및 수산화마그네슘이 함유된 생분해성 지지체를 제조하여 쥐의 두개골에 결손을 발생시키고 해당 부분에 이식하였다. 이식부위의 골밀도가 골결손 모델에 비하여 현저히 증가하였으며, 특히 신생 혈관형성이 정상군 생쥐와 유사한 수준으로 회복되었다.

3. 연구성과/기대효과

○ 이 연구는 기존의 생체이식용 지지체가 가지는 느린 골 재생 속도를 생리활성물질의 첨가를 통해 대폭 향상시켰을 뿐만 아니라, 골다공증성 환경 극복에 대한 가능성을 제시하였다.

○ 이 연구에서 개발된 생체모방 지지체는 광범위한 골다공증성 골절 환자들에게 쉽게 발생하는 골절 불유합의 확률을 크게 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 맞춤형 지지체 제작을 통해 골결손, 척추유합술, 치조골 재생 등 다양한 골재생 분야에 적용 가능할 것으로 전망된다.

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