3D프린팅으로 만든 인공근육…이식 8주만에 90% 이상 재생 성공

성균관대 김근형 교수·전남대
美 WFIRM 이상진 교수 공동연구

웨이크 포레스트 재생 의학 연구소(WFIRM)의 연구진이 3D 바이오 프린터로 근육을 만들고 있다. WFIRM 제공

위줄 사진은 실험쥐의 뒷다리 근육 일부분이 잘려져 나간뒤 4주, 8주가 지난뒤의 근육형태. 아랫줄 사진은 실험쥐의 뒷다리 근육에 인공근육 원섬유를 이식한 뒤 4주, 8주가 지난 뒤의 근육형태. 성균관대 김근형 교수 제공

한국인 과학자들이 인간의 세포가 들어간 바이오잉크를 이용해 3D프린팅으로 인공근육을 만들어냈다. 뒷다리 근육이 손실된 실험쥐에 이 바이오잉크로 만든 인공근육섬유를 이식한 결과 8주만에 90% 이상이 회복됐다.

성균관대 김근형 교수팀은 미국 웨이크 포레스트 재생의학연구소(WFIRM)의 이상진 교수, 전남대 연구진과 공동연구를 통해 근육 재생과 기능을 복원하는 3D프린팅 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

김근형 교수는 "이 기술이 근육 조직 뿐만아니라 뼈 조직과 신경조직, 심장근육, 인대 등에 효과적으로 응용될 수 있을 것"이라고 전망했다.

연구진은 사람세포가 들어간 바이오잉크를 이용해 인공근육 원섬유를 만들어 실험쥐에 집어넣었다. 사람 세포를 실험쥐에 적용해 사람 세포가 근육으로 만들어졌는지, 쥐 근육 주변의 피하지방 세포가 성장한 것인지 살펴봤다. 분석결과 연구진이 넣은 사람 세포가 근육세포로 분화돼 근육이 만들어졌다. 이상진 교수는 "이번에 개발한 바이오프린팅 기술은 전임상시험을 통해 밝혀졌듯이 빠르게 신경조직이 재생될 수 있으며 정상근육의 무게와 기능을 회복할 수 있는 효과적인 치료법이 될 것"이라고 말했다.

먼저 바이오잉크를 만들기 위해 연구진은 돼지의 골격근에서 나온 탈세포화된 세포외기질-메티크릴레이트(dECM-MA)와 콜라겐을 폴리 비닐알코올(PVA) 미소섬유와 결합시켰다. PVA는 바이오잉크 속 분자들에게 신호를 줘서 원하는 조직으로 성장하도록 유도하고한 방향으로 정렬되도록 한다.

바이오잉크의 체적유량과 프린팅 속도 등을 조절해 바이오잉크 속 섬유화된 PVA 분자를 프린팅 방향으로 정렬시켰다. 이후 침출 방법으로 PVA를 제거해 구조체 내부의 세포들을 한 방향으로 배열했다. 이렇게 만든 인간근육전구세포는 90%가 넘는 높은 초기 세포생존율을 보였다.

연구진은 또 3D 인공근육이 기존 구조체(배열되지 않은 구조)와 세포 성장 및 성숙을 비교실험했다. 배양 7일차 이후부터 잘 배열된 구조체는 비교군에 비해 1.7배 이상 배열된 세포골격을 보였다. 또 배양 21일차에는 1.8배 이상의 높은 분화도를 확인할 수 있었다.

이렇게 만들어진 인공근육을 길이 15㎜ 정도의 근육이 손실된 실험쥐에 이식했다. 8주 후 이식 한 부위의 조직이 실제 근육과 같이 완벽히 재생됐다.

특히 프린팅된 인간 근육 전구세포는 기존 근육 구조체 보다 근섬유가 빠르게 형성돼 재생 및 기능 복구에 도움을 줬다.

[e-mail] 김만기 기자