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국내 연구팀이 손실된 근육을 치료할 수 있는 바이오잉크(bioink)를 개발했다고 밝혔다. 넓은 범위, 또는 여러 부위에 걸쳐 발생하는 ‘체적 근육 손실(Volumetric Muscle Loss, VML)’을 치료하기 위한 자체 산소 생성 바이오잉크다.

 

대규모 근육 손실을 위한 치료 연구

‘체적 근육 손실(VML)’은 대규모 외상으로 인해 골격근의 20% 이상 손실이 발생하는 경우를 말한다. 대규모 조직 결손이 발생하며 자연적인 근육 재생에 한계가 생기고, 이로 인해 기능 회복이 어려워진다. 

손실된 근육량이 크다는 것은 단순히 근육만 손실되는 것이 아닌, 인접한 신경이나 혈관 손상까지 동반하는 경우가 많다. 이는 통증, 감각 이상, 혈류 장애 등의 문제를 동반하기도 한다. 또한, 손실 부위 주변의 관절 안정성 근력이 크게 감소하면서 일상생활에도 지장이 생긴다.

그간 의학계에서는 VML로 인한 폭넓은 장애와 후유증을 해결할 수 있도록 조직공학 기반의 VML 치료 연구를 활발히 진행해왔다. 기존까지 개발된 3D 바이오프린팅 이식재의 경우, 세포 생존율을 높이기 위한 산소 및 영양소 전달 기술이 완전하지 않은 탓에 중심부에서의 괴사가 빈번했다. 

또한, 기존의 산소 공급 기술은 장기적이고 지속적인 산소 공급이 어려웠기 때문에, 실질적인 조직 재생 효과가 한정적이었다. 이에 따라 조직 손상 초기에 세포의 생존과 분화를 유도하면서, 동시에 조직 크기와 상관없이 안정적이고 지속적으로 산소를 공급할 수 있는 바이오잉크 소재 개발이 필요했다.

 

자체적으로 산소 만드는 바이오잉크

부산대학교 광메카트로닉스공학과 한동욱 교수 연구팀과 인천대학교 생명공학부 박경민 교수팀은 이 문제를 해결하기 위한 공동 연구에 나섰다. 그리고 연구를 통해 VML 치료를 위한 자체 산소 생성 바이오잉크(bioink) 개발에 성공했다고 밝혔다.

3D 바이오프린팅은 세포나 생체물질을 층층이 쌓아 올림으로써 살아있는 조직이나 장기 구조물을 만드는 기술이다. 이때 원료로 사용되는 것이 바로 ‘바이오잉크’다. 이 작업에서는 세포의 생존율을 높이는 것이 중요하며, 이 때문에 산소 공급을 유지해주는 것이 필요하다. 

기존 연구에서는 기술적 문제로 인해 지속적인 산소 공급에 한계가 있었다. 공동연구팀은 이 문제에 착안해, 산소를 만들어내고 지속적으로 공급할 수 있는 자체 산소 생성 바이오잉크를 개발했다. 세포 생존 및 근육 재생 신호를 동시에 제공할 수 있도록 과산화마그네슘(MgO₂)을 도입한 바이오잉크(GtnSH/GtnMI/MgO₂)다. 

티올화 젤라틴(GtnSH)과 말레마이드화 젤라틴(GtnMI)을 이용한 이중 가교 결합으로 생체적합성이 뛰어난 바이오잉크를 제작했고, 과산화마그네슘은 국소적으로 산소를 방출해 이식된 세포의 생존율과 근육 재생을 촉진시킨다는 설명이다. 

연구팀은 VML이 발생한 쥐 모델에 자체 산소 생성 바이오잉크로 만든 바이오프린팅 조직 모사체를 이식했다. 그 결과 손상된 근육 조직이 효과적으로 회복된다는 것을 확인했다. 기존 소재와 비교했을 때 근육 질량은 약 144% 증가했으며, 손상 발생 부위는 37% 이상 감소하는 뚜렷한 성과다.

 

극한의 의료 환경에 적합할 것

이번에 개발된 자체 산소 생성 바이오잉크의 뛰어난 회복력은 향후 높은 잠재력을 보일 것으로 기대되고 있다. 연구팀은 조직 이식, 약물 치료와 같은 기존 치료법의 면역 반응, 공여 부위 손상, 감염, 낮은 생착률 및 기능성 등 대부분의 문제를 해결할 수 있을 것으로 보고 있다. 

한편, 자체 산소 생성 바이오잉크는 전쟁 상황과 같은 극한 환경에서도 활용도가 높을 것으로 기대된다. 더 나아가 인류의 도전 과제로 꼽히고 있는 우주 진출에도 응용할 수 있는 잠재력을 가지고 있다는 것이 연구팀의 설명이다.

한동욱 교수는 “이번 연구는 스포츠 손상, 교통사고 환자, 군인 및 기타 외상 환자 등 다양한 임상 환경에서 맞춤형 이식재로 활용이 전망된다”라며 “특히 극한 의료 환경에서 효과적인 응급 치료 전략이 될 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다. 한 교수는 또한, “향후 근육뿐만 아니라 뼈, 연골, 신경 등 다양한 조직 재생 치료제 개발로 연구가 확장되길 바란다”라는 입장을 덧붙였다.

산소 방출을 통한 과산화마그네슘의 근분화(筋分化) 촉진 기전을 밝힌 이번 연구는 진단 의학 및 재생 의학 분야 국제 학술지 <테라노스틱스(Theranostics)>에 지난 1월 13일 온라인 게재됐다. 또한, 3월호 발행본에 표지 논문으로 선정됐다.

 

부산대학교 연구진이 ‘먹는 약’으로 부작용 없이 대장암을 효과적으로 치료할 수 있는 기술을 개발했다. 기존 항암제는 몸 전체로 퍼져 정상 세포에도 영향을 미치는 부작용이 있었지만, 이번 연구에서는 약물이 대장암 부위에만 선택적으로 전달되도록 설계됐다.

 

sol-gel-sol 전환 기술

부산대학교(총장 최재원) 제약학과 유진욱 교수 연구팀은 최근 경구투여 경로를 이용해 전신 분포 없이 대장암 조직에 직접적·선택적으로 약물을 전달할 수 있는 효과적인 국소 정밀 대장암 치료 플랫폼 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 

대장암 치료에 있어 항암화학요법이 주된 치료 방법으로 광범위하게 사용되고 있으나, 현행 치료법은 대부분의 약물이 암 조직이 아닌 정상 조직으로 분포돼 극심한 부작용을 일으키고 암 조직에는 매우 적은 약물만이 축적돼 치료 효과가 제한되는 큰 한계점이 있다. 

이번 연구에서는 이를 해결하고자 ‘sol-gel-sol 전환 기술’과 암세포 특이적 나노복합체를 결합한 새로운 약물 전달체를 개발했으며, 암 조직으로의 선택적인 약물 분포 및 향상된 종양 성장 억제 효과를 대장암 동물 모델을 대상으로 검증했다. 

 

* sol-gel-sol : 특정 환경에서 약물이 고체(gel) 상태와 액체(sol) 상태를 오가는 방식. 이번 연구에서는 약물이 섭취 후 고체 상태로 보호됐다가, 대장에서 다시 액체 상태로 변해 약물이 방출되는 방식으로 활용됐다. 이를 통해 약물이 대장암 부위까지 안전하게 도달하고, 효과적으로 작용하도록 했다.

 

경구투여된 약물 전달체는 위에서 산성 환경에 의해 고체(gel) 상태로 변환돼 내부에 봉입(封入)된 약물 나노복합체가 흡수 또는 분해되지 않도록 보호한다. 이후 대장에 도달하면 pH 변화에 따라 gel 구조가 해체돼 나노복합체가 암 조직에 선택적으로 분포될 수 있도록 설계됐다.

또한, 암 조직에 분포된 후 나노복합체는 암세포 내 특정 효소 활성에 반응해 약물 방출이 촉발돼 건강한 조직에는 전혀 영향을 주지 않으면서 강력한 항암 효과를 발휘할 수 있도록 했다.

 

다른 대장 질환 치료에 응용 가능

연구팀이 제안한 약물 전달 메커니즘은 항암 치료에 있어 기존 전신 투여 방식의 부작용을 획기적으로 줄이고 치료 효과를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 염증성 장 질환과 같은 대장 질환 및 마이크로바이옴(인체미생물 유전정보) 치료제 개발에도 적용 가능성이 매우 높아 다양한 대장 질환 치료를 위한 국소 정밀 치료제 개발의 새로운 지평을 열 것으로 기대된다.

유진욱 부산대 제약학과 교수는 “이번 연구는 단순히 대장암 치료를 넘어, 국소 치료의 새로운 패러다임을 제시한 것”이라며 “앞으로 이 기술이 환자들의 삶의 질을 크게 개선할 수 있기를 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구 및 세종과학펠로우십 지원을 받아 부산대 제약학과 유진욱 교수가 교신저자, 이주호 박사가 제1저자로 수행했으며, 국제 학술지 <화학공학 저널(Chemical Engineering Journal)>에 지난 2월 1일자로 게재됐다. 

논문 제목은 ‘위장관 내 sol-gel-sol 변환 및 암세포 특이적 나노복합체를 응용한 경구용 국소 대장암 표적 치료(On-site sol-gel-sol transition of alginate enables reversible shielding/deshielding of tumor cell-activated nanoconjugates for precise local colorectal cancer therapy)’다.