바이오인

핵심내용

상세내용

연 구 결 과  개 요

논문명

A Myoblast-Laden Collagen Bioink with Fully Aligned Au Nanowires for Muscle-Tissue Regeneration

저  자

김근형(성균관대학교, 교신저자), 장철호 (전남대학교, 교신저자), 김원진(성균관대학교, 제1저자)

1. 연구의 필요성

  ○ 인체를 이루는 각 조직은 해부학적/생리학적으로 각기 다른 특성과 환경을 지니고 있다. 그러므로 조직의 한 부분에 손상이 생겼을 경우 신속하고 완벽한 재생을 위해 조직의 해부학적/생리학적 특징과 기능 등을 지원해 주는 것이 좋은 전략이 될 수 있다. 

  ○ 특히 근육은 한 방향으로 배열된 섬유다발로 이루어져 있으며, 전기적 신호전달에 의한 수축·이완을 통해 근육운동을 한다. 때문에 조직재생공학에서는 이러한 근육의 해부학적/생리학적 모사하고자 한다.  

  ○ 특히 대중적으로 전기방사, 리소그래피, 마이크로-몰딩 등의 제작공정은 2D 구조체 제작을 통해 배열된 표면을 만든 후 근육세포를 도포하여 한 방향으로 배열된 형태의 조직으로 성장시키는 방법이 사용된다. 

  ○ 하지만 외상으로 부피가 큰 근육 손실이 발생할 경우 기존 제작공정 및 세포 도포 방식은 재생에 큰 한계를 보이고 있으며, 이에 따라 세포가 포함된 바이오잉크를 이용하는 세포-프린팅 공정을 통해 큰 부피를 가진 이식용 세포지지체의 제작이 불가피하다.

  ○ 살아있는 세포와 세포친화적인 하이드로겔로 이루어진 바이오잉크는 세포-프린팅 공정의 핵심 요소다. 바이오잉크의 특성에 따라 세포지지체 제작 시의 해상도, 세포 성장 및 성숙 등에 큰 영향을 미친다. 하지만 기존의 바이오잉크를 이용한 세포-프린팅 공정은 마이크로/나노패턴에 한계가 있어 한 방향으로 세포가 정렬된 구조를 제작하는데 어려움이 있다.

  ○ 따라서 세포-프린팅 공정을 이용해 근육조직 재생용 3D 세포지지체를 만들 때 정렬된 마이크로/나노패턴을 제공할 수 있는 바이오잉크의 개발이 필요하다. 뿐만 아니라 단순히 세포가 배열된 구조의 제작을 넘어 조직의 생리학적 환경을 모사하는 것이 보다 미래지향적이다.

 2. 연구내용 

  ○ 연구팀은 부피가 큰 근육 손실 부위의 재생을 위해 생체유래 소재인 콜라겐(collagen)을 사용해 이식용 3D인공근육을 제작하고자 했다. 콜라겐은 근육을 포함한 인체 대부분 조직의 주 구성 단백질로서 바이오잉크의 주 구성성분일 뿐 아니라 근육세포 배양 시에도 다양하게 사용된다. 

  ○ 하지만 세포를 단 방향으로 배열시키기 위한 정렬된 마이크로/나노패턴을 포함한 구조를 제작하는데 어려움이 있다. 때문에 연구팀은 콜라겐 바이오잉크에 나노 크기의 와이어 구조인 금-나노입자(지름: 30 nm, 길이: 4,500 nm)를 첨가하여 세포의 배열을 유도하고자 하였으며, 근육의 이방성 전기적 미세구조를 모사하고자 하였다.

  ○ 세포 배열을 유도할 금-나노입자의 정렬을 위해 프린팅 노즐 내의 바이오잉크 흐름에 의한 전단 응력(shear stress)을 활용하였다. 이 때, 바이오잉크의 체적유량과 프린팅 속도 등의 조절을 통해 금-나노입자를 프린팅 방향으로 성공적으로 정렬시킬 수 있었다. 이후 정립된 조건에서 근세포(myoblast)는 90%가 넘는 높은 초기 세포생존율을 보였다.

  ○ 이후 배열된 금-나노입자가 포함된 3D 인공근육에서의 세포를 배열되지 않은 금-나노입자가 포함된 구조체와 기존의 콜라겐 구조체에서의 세포와 성장 및 성숙을 비교하였다. 배양 7일차 이후부터 배열된 금-나노입자 군의 세포는 비교군들에 비해 2배 이상 배열된 (Alignment) 세포골격을 보였으며 미오신중쇄(MHC)* 염색했을 때 배양 14일차에 1.7배 이상의 높은 분화도확인 할 수 있었다.

     * 미오신중쇄(Myosin heavy chain; MHC) : 근섬유로 분화 시 필요한 단백질 구조

  ○ 또한 배열된 금-나노입자 군에 배양기간 동안 프린팅 방향의 전기장 자극을 제공하였을 때 배양 14일차 및 21일차에 1.4배의 분화 유전자를 발현하였다. 이를 통해 배열된 금-나노입자가 포함된 콜라겐 지지체의 전기적 미세환경이 전기장 자극을 효과적으로 세포에 제공하여 시너지 효과를 나타내었다고 확인하였다.

  ○ 제작한 콜라겐 군, 배열되지 않은 금-나노입자가 포함된 콜라겐 군, 그리고 배열된 금-나노입자가 포함된 3D 인공근육을 쥐 (rat)의 측두근(temporalis muscle)에 길이 3 cm, 너비 1 cm의 손상(defect)을 가한 후 이식하였을 때 8주 후 이식 한 부위의 조직이 실제 근육과 같이 완벽히 재생하였다. 

  ○ 면역화학적 염색을 통해 확인하였을 때, 배열된 금-나노입자군을 이식한 쥐의 조직은 10% 미만의 섬유증 (fibrosis)을 보였으며 이는 30% 이상의 섬유증을 보인 대조군들에 비해 3.6배 이상 향상된 수치이다.

 3. 연구성과/기대효과

  ○ 금-나노입자가 포함된 콜라겐 바이오잉크의 개발을 통해 세포-프린팅 공정으로 배열된 마이크로/나노패턴을 갖는 3D 인공근육을 제작할 수 있다. 이는 기존의 바이오잉크를 이용한 세포-프린팅 공정에서 해결하고자 했던 배열된 세포를 포함한 3D 구조체 제작에 유용한 공정이다. 

  ○ 제작된 3D 인공근육내의 배열된 금-나노입자가 세포가 일정한 방향으로 성장하도록 유도하며, 이를 바탕으로 일렬로 배열돼 융합하여 성숙되는 골격근 및 심장근육 뿐만 아니라 인체의 다양한 배열된 조직을 재생에 크게 기여할 것이다.

  ○ 본 연구에서 사용한 금-나노입자 이외에 카본-나노입자, 은-나노입자 등  나노 단위의 원통형 소재의 세포-프린팅 공정 적용의 디딤돌이 될 것이다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

사람의 근육은 한 방향으로 배열된 섬유 형태의 모습으로 수축과 이완을 통해 사람의 여러 운동을 가능할 수 있게 한다. 이러한 근육이 손상을 입었을 때, 특히 넓은 범위의 손상을 입었을 때 이를 재생하기 위한 이식용 근육 조직 재생이 전 세계적으로 활발하다. 하지만 현재의 연구는 배열된 2D 표면 제어나 얇은 다발을 제작하는 단계, 혹은 프린팅을 통한 배열된 세포형태가 아닌 단순한 구조체 제작을 통한 연구에 머물러 있어 넓은 범위 및 근육조직의 손상을 완벽히 재생하기에는 큰 한계점이 있었다. 이에 본 연구팀은 콜라겐 기반 바이오잉크를 통한 세포-프린팅 기술에 세포를 배열 시킬 수 있는 방식을 접목시키려고 하였다. 

본 연구팀은 금-나노입자를 바이오잉크 내에서 원하는 방향으로 배열시켜, 금-나노입자의 배열성을 통해 세포의 배열을 유도하는 방식을 개발하였다. 나노입자 중 금-나노입자는 세포독성이 없으며 생체친화적인 소재로 잘 알려져 있기 때문에, 본 연구팀은 금-나노입자를 첨가한 세포가 포함된 콜라겐 바이오잉크를 개발하였고, 프린팅공정 및 전기장 방향 조절을 도입하여 바이오잉크 내의 금-나노입자를 한 방향으로 배열 시킬 수 있게 되었다. 또한 금-나노입자의 배열을 조절함으로써 근육세포의 성장 방향을 조절 할 수 있게 되었고, 또한 인체유래 지방줄기세포와 동물실험을 통해 손상된 쥐의 근육 조직을 완벽히 재생 할 수 있게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

기존에 본 연구팀에서는 세포-전기방사 방식을 통하여 세포의 성장 방향을 제어 할 수 있는 연구 성과를 얻었었다(Small, 2018). 그러나, 전기방사를 활용한 세포배열 방식은 넓은 범위의 구조체/복잡한 구조체 제작에 대한 한계 및 제한된 바이오잉크(알지네이드)로 인하여 효율적인 근육조직의 재생에 한계를 보였다. 또한, 기존에 보고된 3D 프린팅을 이용한 근육 조직 재생용 구조체는 바이오잉크 내의 세포를 원하는 방향으로 배열시키는 연구에 한계를 드러내고 있었다. 

본 연구팀은 기존 근육조직재생의 제작 방식의 한계를 넘는 새로운 개념의 바이오잉크와 세포-프린팅 방식을 도입하여 바이오잉크내의 세포를 배열시키는 방식을 제안하였다. 이렇게 제작된 근육 조직은 실제 동물실험을 통해 손상된 근육 조직을 완벽하게 재생 시킬 수 있었으며,  제안한 기술은 앞으로 근육조직재생 뿐 아니라 인체의 다른 조직들(혈관, 신경)을 동시에 혹은 따로 재생하기 위한 미니인공장기 제작에도 크게 기여 할 것으로 보인다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

본 연구팀이 개발한 근육 조직은 단순한 타박상에 의한 작은 범위의 근육조직 손상 뿐 아니라 큰 외상에 의한 근육 조직 손상 등에 매우 광범위하게 활용될 수 있다. 외상에 의한 손상된 근육조직뿐만 아니라 루게릭병과 같은 불치성 근육 손실 질환 치료에도 활용될 수 있을 것으로 보인다. 또한, 근육뿐만 아니라 심장, 인대, 힘줄, 신경 등과 같이 배열된 형태를 보이는 인체의 다양한 조직의 손상 시에도 적용 될 수 있을 것으로 기대된다.

...................(계속)

☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.