세포-프린팅을 이용한 근육조직 재생, 금 나노와이어가 근육세포의 평행한 배열 유도
(a) 금-나노입자가 포함된 콜라겐 바이오잉크를 이용한 근육 조직 제작 모식도.
세포-프린팅 공정 중의 전단력 및 제작 후의 전기 자극에 의해 금-나노입자가 배열되는 모습을 보여준다.
(b) 제작한 배열된 금-나노입자가 포함된 근육 조직 내 세포의 세포골격 모습으로 14일차에는 기존의 콜라겐 구조체나 무작위 금-나노입자가 포함된 콜라겐 구조체에 비해 2배 이상 배열된 모습을 확인할 수 있다.
(c) 배양된 샘플에서 미오신중쇄(MHC)의 14일차 모습을 보면 개발된 근육 조직에서 세포가 보다 배열되며 보다 성숙한 분화가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
좌측 그림은 쥐의 측두근 이식 직후 조직 부위의 모습을 보여주며, 중앙의 이식 8주 후 개발된 근육 조직을 이식한 군은 비교군들과 달리 손상 부위가 완벽히 재생된 모습을 보여준다.
우측의 면역화학적 조직염색 결과 또한 근육 조직 이식 후 8주 후에 완벽히 재생해 섬유화가 거의 없는 모습을 보여준다.
인체 조직을 3D프린터로 정교하게 출력해 손상되거나 결손된 부위의 재건을 도우려는 바이오프린팅 분야에서 또 다른 도약이 이뤄졌다.
한국연구재단(이사장 노정혜)은 김근형 교수(성균관대학교), 장철호 교수(전남대학교 의과대학) 공동 연구팀이 금 나노와이어가 포함된 콜라겐/세포 바이오잉크를 기반으로 근섬유다발을 만들었다고 밝혔다.
바이오프린팅에서의 관건은 실제 살아 있는 세포가 포함된 생체적합성 바이오잉크를 이용해 저마다 고유한 해부학적 특징과 생리학적 기능을 가진 조직으로 구현하는 것이다.
특히 근육조직은 세포가 한 방향으로 배열된 근섬유다발 형태로 구현해야 하는데, 실제 조직에서 세포가 자랄 수 있도록 둘러싼 지지체인 세포외기질(ECM)이 제공하는 일정한 방향성(aligned topographical cues)을 잉크와 함께 분사된 세포에 제시할 방법을 찾지 못했다.
이에 연구팀은 금 나노와이어를 이용해 콜라겐 바이오잉크 내에 포함된 지방줄기세포가 자라나는 방향을 제어하는 인공근육 제작 방식을 제안했다.
원예용 지지대를 따라 식물이 뻗어가는 것처럼 한 방향으로 배열된 금 나노와이어(지름 30nm, 길이 4,500nm)를 따라 지방줄기세포들이 근육세포로 분화해 자라도록 유도한 것이다.
이렇게 만들어진 인공 근육세포는 초기 생존율이 90%를 넘어 대체조직으로서의 가능성을 보여주었다.
실제 만들어진 인공근육을 길이 3cm, 너비 1cm 가량의 손상이 있는 쥐의 턱관절 근육, 측두근에 이식한 결과 8주 후 이식 부위 조직이 실제 근육처럼 재생됐다.
핵심은 노즐 이동 속도와 잉크 유량, 온도 등 복잡한 조건을 최적화함으로써 유체의 흐름을 제어하고 전기적 신호를 이용해 나노와이어의 배열성을 조절한 데 있다.
연구팀은 지난해 제안한 전기방사방식에서 나아가 근세포 재생을 유도하는 바이오프린팅 기술을 제안, 난치성 근육질환 극복을 위한 실마리가 될 것으로 기대된다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 및 자연모사혁신기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 나노레터스(Nano Letters)에 10월 29일 논문명 ‘A Myoblast-Laden Collagen Bioink with Fully Aligned Au Nanowires for Muscle-Tissue Regeneration’, 김근형(성균관대학교, 교신저자), 장철호 (전남대학교, 교신저자), 김원진(성균관대학교, 제1저자) 등으로 게재됐다.