성균관대학교(총장 유지범) 의과대학 정밀의학 교실 김근형 교수 연구팀은 우리 몸의 심장이나 근육이 손상되었을 때 이를 효과적으로 재생할 수 있도록 돕는 신개념 ‘컴퍼짓 바이오잉크’와 이를 정교하게 출력하는 ‘바이오프린팅 플랫폼’을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 세포가 스스로 자극을 감지해 재생 능력을 높이도록 유도하는 기술로, 대용량 근육 손실 치료에 새로운 전기를 마련할 것으로 기대된다.

우리 몸의 근육은 일정한 방향으로 결이 나 있는 조직이다. 따라서 사고나 질병으로 근육이 크게 손상되었을 때 단순히 세포를 채워 넣는 것만으로는 부족하며, 세포가 올바른 방향으로 자라도록 유도하고 적절한 힘(기계적 자극)을 전달하는 것이 필수적이다. 이를 ‘세포 기계생물학적 신호 전달’이라고 하는데, 기존의 3D 프린팅 기술로는 이러한 복합적인 환경을 완벽히 재현하는 데 한계가 있었다.

▲(왼쪽 위부터) 성균관대 의학과 김근형 교수, 고려대학교 생명정보공학과 이형진 교수,

성균관대 황보한준 박사과정생, Pei Mohan 박사과정생, 최병준 석박통합과정생, 고려대학교 박찬영 석박통합과정생 

김근형 교수 연구팀은 이러한 난제를 해결하기 위해 바이오잉크 내부에 용수철과 유사한 형태의 ‘코일 마이크로파이버’를 도입했다. 이 바이오잉크는 프린팅 과정에서 세포에 최적의 자극을 전달하며, 세포가 근육 조직의 결을 따라 정렬되도록 돕는다. 실제 동물 실험 결과, 대용량 근육 손실이 발생한 부위에 이 기술을 적용했을 때 근육의 구조가 원래대로 복원될 뿐만 아니라, 실제 움직임에 필요한 기능적 회복이 매우 빠르게 일어나는 것을 확인했다.

 또한 연구팀은 고려대학교 이형진 교수 연구팀과 공동연구를 진행하여 자연에서 얻은 버섯 유래 키토산을 활용한 ‘형상 회복 스캐폴드’를 개발하는 데 성공했다. 이 스캐폴드는 압축된 상태로 주사기를 통해 몸속에 주입하면, 원래의 형태로 되돌아가는 ‘기억 능력’을 갖추고 있다. 특히 근육이 수축과 이완을 반복할 때 발생하는 자극을 세포에 전달하여 재생을 촉진하는 동시에, 몸속 염증 반응까지 억제하는 이중 효과를 입증했다.

 김근형 교수는 “이번 연구 성과는 세포가 외부 자극을 물리적으로 감지하여 스스로 조직을 재생하게 만드는 차세대 재생 의학 기술의 핵심”이라며 “앞으로 심장 근육이나 골격근 등 재생이 어려운 난치성 근육 질환 환자들에게 실질적인 치료 대안을 제시할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

 본 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단, 질병관리청의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 성과는 바이오공학 및 재료과학 분야의 세계 최고 권위지인 ‘바이오액티브 머티리얼즈(Bioactive Materials, IF=20.3)’와 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=19)’에 각각 게재되었다.

▲ 컴퍼짓 바이오잉크와 brush-assisted bioprinting 공정을 활용한 마우스 근손실 재생 모식도 및 이에 따른 결과