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손상된 ‘심장 근육’ 살리는 조직 재생 ‘패치’ 개발
손상된 ‘심장 근육’ 살리는 조직 재생 ‘패치’ 개발
전흥재 교수팀, 줄기세포 생착 시간 & 심장 기능 개선
  • 이경호 기자
  • 승인 2023.04.29 12:02
  • 댓글 0
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[출처 : 123RF.com]
[출처 : 123RF.com]

심장에 혈액을 공급하는 관상동맥이 혈전 등으로 막히는 급성 심근경색증이 발생하면 심장 근육이 손상되고 괴사핞다. 이 때문에 생명이 위태로울 수도 있다.

국내 연구진이 줄기세포의 생착 시간을 늘려서 심장 조직을 재생하는 패치를 개발해, 국제적으로 주목 받았다.

가톨릭대 의대 의생명과학교실 전흥재 교수(세포조직공학연구소장)가 최근 가톨릭중앙의료원 산하 임상연구팀들과 함께 다학제적 연구를 통해 ‘심장 조직 재생을 위한 패치’를 개발했다고 밝혔다.

관련 연구 결과는 국제 생체재료학회지인 ‘biomaterials research’에 게재됐고, 최근 생물학연구정보센터(BRIC‧Biological Research Information Center)의 ‘한국을 빛내는 사람들(한빛사)’ 에 선정‧등재되기도 했다.

심근경색증‧협심증 등 허혈성 심장 질환은 심근 세포의 자가 재생능력 결여에 따른 것으로, 최근 약물 및 첨단 의료기술의 발전에도 불구하고 전 세계적으로 주요 사망 원인에 꼽힌다.

손상된 심근의 복구를 위해 대체 공급원 마련을 위해 줄기세포를 이용한 무수한 기초 및 임상 시험 등이 지난 20여 년 간 이뤄졌다.

하지만 심장은 이식된 줄기세포 생착률이 불과 5~10%로 낮고, 이식된 줄기세포조차도 산소와 영양분 공급 부족으로 인해 생존율이 매우 낮아서 세포 치료제의 효율성은 현저히 떨어진다.

이 같은 문제를 해결하기 위해 ‘스캐폴드’를 사용한 심장 조직 재생 의학이 새로운 전략으로 등장했다.

스캐폴드는 생체재료를 사용해서 제조된 줄기세포가 점착‧이동‧증식‧분화를 할 수 있는 천연 세포외기질의 인공적인 모사체다. 심장재건의 경우 허혈 부위에 줄기세포와 함께 점착시킬 수 있는 패치형(patch) 스캐폴드가 가장 강력한 후보다.

현재까지 나노섬유를 이용해서 제조한 패치형 스캐폴드가 각광을 받고 있었지만, 줄기세포가 삼차원 조직체계로 발전하는데 필요한 세포의 이동을 어렵게 한다는 한계를 갖고 있었다.

전흥재 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 천연 세포외기질의 구성성분인 콜라겐 나노섬유와 수술용으로 널리 사용하는 합성 PLGA(polylactic-co-glycolic acid) 마이크로섬유로 구성된 새로운 패치형 바이모달(bi-modal) 스캐폴드를 개발했다.

PLGA는 Lactic acid-Glycolic acid의 공중합체로서 약물 전달(Drug delivery system) 연구를 위한 세포 및 조직 친화성을 갖춘 생분해성 고분자다.

바이모달 패치의 심장조직공학제제로서 실현 가능성은 응급의학과(여의도성모병원 위정희 교수), 순환기내과(성빈센트병원 유기동 교수), 흉부외과(부천성모병원 심성보 교수) 등의 임상연구진들이 검토했다.

전흥재 교수 연구팀이 개발한 바이모달 전기방사 스캐폴드는 콜라겐과 Poly(D.L-lactic-co-glycolic acid, Col/PLGA)로 구성된 나노‧마이크로 두 가지 형태의 복합 섬유 패치다.

이들은 독립적인 노즐 제어 다중 전기방사 장치를 사용해서 제작됐으며, 줄기세포 함유 심장 패치로 실현 가능성에 대해 체계적으로 조사했다.

줄기세포의 생착 시간을 늘려서 심장 조직을 재생하는 패치.
줄기세포의 생착 시간을 늘려서 심장 조직을 재생하는 패치.

그 결과 Col/PLGA 패치의 나노‧마이크로 바이모달 분포는 4~6% 콜라겐 농도 범위에서 나타났으며, 콜라겐의 약한 기계적 성질과 PLGA의 소수성 성질은 공동 전기방사에 의해 개선됐다.

특히 골수 유래 중간엽 줄기세포(BMSC)를 사용한 시험관 내 실험에서 Col/PLGA는 PLGA에 비해 향상된 세포 적합성 및 증식 능력을 보였고, 콜라겐 함량이 증가함에 따라 그 정도가 증가한 것으로 나타났다.

나노 입자 및 GFP(녹색형광단백질)가 표지된 BMSC를 추적한 결과는 Col/PLGA가 장기간 줄기 세포 보유 능력을 보유해서 줄기 세포가 심근 및 혈관 내피 세포로 직접 기능하거나 회복 인자를 분비할 수 있다는 것을 강력하게 뒷받침했다.

결과적으로 조직학적 및 심초음파 소견으로 입증된 심장 기능 개선으로 이어졌다.

이처럼 BMSC를 사용한 시험관 내 실험에서 바이모달 패치는 세포 적합성 및 증식 능력의 향상을 보였다.

또 동물실험에서 나노입자 표지 및 GFP를 이용한 줄기세포의 추적 결과 바이모달 패치는 4주 이상의 장기간 줄기세포 생착 능력을 나타냈다.

기존 세포치료 방식으로 이식된 세포의 생착 기간이 48시간임을 감안하면 우수한 성과다.

또 이식된 줄기 세포가 심근 및 혈관 내피 세포로 직접 기능하거나 회복 인자를 분비할 수 있다는 것도 뒷받침했다.

그 결과 조직학적 및 심초음파 소견으로 심장 기능이 크게 개선되는 것으로 입증됐다.

전흥재 교수는 “이번 연구는 공학‧기초‧임상의학이 접목된 다학제적 과제이고 그 결과를 도출하는데 어려움이 있었지만 좋은 결과를 얻을 수 있었다”며 “후속으로 진행 중인 대동물 및 CT 등의 영상의학 결과가 포함된 보다 실용화에 가까운 연구 결과를 가까운 시일 내로 발표할 것”이라고 말했다.


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