최근 시더스-사이나이(Cedars-Sinai) 메디컬센터 부설 재생의학 연구소는 동물(돼지) 실험을 통해 초음파, 줄기세포, 그리고 세포치료 방식 등을 융합해 손상된 뼈 스스로 회복될 수 있는 치료법을 발표했다.

의학 학술지 ‘과학 중개 의학’(Science Translational Medicine)에 발표된 논문에 따르면 연구팀은 세포 속 유전자 삽입을 촉진하는 초음파 펄스와 미세 기포를 사용해 신호전달 기능을 복제한 골-유도 유전자를 줄기세포에 주입했다.

그리고 돼지 다리 뼈 속에 주입한 물질로 하여금 유전자에 포함된 신호전달 체계에 따라 손상된 뼈를 이전 상태로 재생할 수 있도록 유도할 수 있었다(사이언스타임즈 17일자 기사 참조).

고령인구 증가로 골절상 피해 급증

시더스-사이나이, 예루살람 히브리대, 뉴욕 로체스터대, 캘리포니아 데이브스 주립 대 등이 공동 참여한 이번 연구에는 돼지 등 다수의 동물들이 투입됐다. 그리고 완벽할 정도로 강한 뼈가 이전 상태로 복구된 것으로 확인됐다.

이 소식이 알려지면서 의료계는 물론 일반 언론들로부터 큰 반향을 불러일으키고 있다. 18일 ‘사이언스’ 지는 동물실험이지만 뼈 이식 없이 뼈 손상을 원 상태로 회복할 수 있는 길이 열렸다며, 연구 결과에 큰 의미를 부여했다.

의료계에서도 뜨거운 반응이 이어지고 있다. 텍사스대학 헬스 사이언스 센터 정형외과의 자니 휴알드(Johnny Hurard) 연구원은 “정형외과 의사들이 고대해왔던 연구 결과가 나왔다”며 향후 의료 현장에 적용될 경우 큰 반향을 불러일으킬 것으로 내다봤다.

메디컬센터 데이비드 쿨버(David Kulber) 원장은 언론과의 인터뷰를 통해 “사람의 뼈를 이식하지 않고 다른 물질을 주입해 뼈를 생성할 수 있는 이 치료법이 사람에게 적용돼 그동안 고통을 받아온 많은 사람들에게 희망을 줄 수 있기”를 기대했다.

실제로 삶의 현장에서는 엄청난 수의 사람들이 골절상을 입을 것으로 예상되고 있다. UN 경제사회이사국에 따르면 오는 2050년 60세 이상 인구 수는 20억 명으로 지난 2013년 8억4100만명과 비교해 2배가 훨씬 넘는 것이다.

고령층에게 있어 심각한 위협이 되고 있는 것이 골절상이다. 나이를 먹을수록 뼈가 약해지기 때문에 특단의 치료법이 개발되지 않은 한 거액의 의료비 지출이 예고되고 있는 상황이다. 그러나 전통적인 치료 방식은 아직도 근본적인 대책을 마련하지 못하고 있다.

뼈 이식의 고통, 골절 기형 막을 수 있어 

심각한 것은 골절 부정유합(nonunion fracture)으로 인해 많은 사람들이 고통을 받고 있다는 것이다. 부정유합 골절이란 뼈 교정 시 뼈가 잘못 자리를 잡아 기형적인 모습을 보이는 것을 말한다.

치료를 받더라도 각형성 변형, 회전변형, 단축 변형 등 매우 다양한 형태로 기형적인 모습이 나타나고 있다. 미국에서만 부정유합으로 고통을 받고 있는 사람의 수가 10만 명에 달하는 것으로 집계되고 있다.

이런 일이 벌어지는 것은 뼈가 통째로 이탈되거나 혹은 심하게 파괴된 경우 원래 있었던 상태로 복구가 불가능하기 때문이다. 이런 경우 의사들은 다른 뼈를 그 자리에 이식하는 전통적인 방식을 사용해왔다.

대부분 이식한 뼈는 환자의 골반에서 채취했다. 그러나 채취와 이식, 재생 과정에서 환자가 너무 고통스러워하기 때문에 시신 뼈를 사용하기도 한다. 뼈 이식 후 부작용을 막기 위해서는 철저한 살균이 이루어져야 한다.

그러나 살균 과정에서 신호전달 단백질이 파괴돼  이식 이전의 건강한 상태로 뼈가 재생되는 것을 가로막았다. 과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 또 다른 물질을 개발해왔다. 보통 많이 사용하고 있는 물질이 콜라겐(collagen)이다.

동물의 뼈와 피부나 연골, 치아, 머리카락, 물고기 비늘 등에 많이 분포돼 있는 물질이다. 교원질(膠原質)이라고도 하는데 복잡한 가로무늬 구조로 돼 있으며, 끓이면 젤라틴이 되어 용해되는 성질을 지니고 있다.

콜라겐과 함께 MSCs(mesenchymal stem cells)이란 줄기세포를 사용하고 있다. 1924년 러시아 태생의 알렉산더 막스모프(Alexander A. Maximow)가 발견한 세포인데 당시에는 혈액 재생과 관련이 있는 세포로 생각해왔다.

그러나 얼마 후 골세포(osteocytes)로의 분화가 가능하다는 사실이 밝혀졌다. 최근 수년 간 과학자들은 이 MSCs에 신호전달물질인 BMPs(Bone Morphogenetic Proteins)을 주입해 재생능력이 있는 골세포(osteocytes)로 전환하는 방안을 찾고 있었다.

복제 유전자 주입해 돼지 뼈 복원

그러나 예기치 못한 문제가 발생했다. BMPs를 MSCs에 주입할 경우 수 시간 만에 소멸돼버렸다. 최소한 1주일은 버텨야 했는데 그것이 불가능했다. 이 문제를 시더스-사이나이 메디컬센터 댄 개지트(Dan Gazit) 교수 연구팀이 해결했다.

연구팀은 지난 2014년부터 이 연구를 진행해왔다. 처음에는 BMP-2, BMP-7을 사용했는데 동물실험에서 뼈 재생효과가 있는 것을 발견했으나 골절 부위를 완전히 재생하기에는 문제가 있다는 사실을 확인했다.

연구진은 같은 경로를 통해 BMP-6 복제 유전자를 돼지에게 투입했다. 그러나 골절된 다리뼈의 1cm 공간이 채워졌다. 실험이 활기를 찾으면서 다양한 BMP를 복제해 투입했고, 최근 큰 성공을 거두고 있다.

개지트 박사 연구팀은 콜라겐으로 만든 모체(matrix)를 만들어 실험동물의 다리 뼈 손상 부위 공간에 이식했다. 이 매트릭스는 약 2주간에 걸쳐 다리 속에서 줄기세포를 손상 부위로 모아들였다.

연구팀은 이어 세포 속 유전자 삽입을 촉진하는 초음파 펄스와 미세 기포를 사용해 신호전달 기능을 복제한 골-유도 유전자를 줄기세포에 직접 주입했다. 그러자 단백질 세포가 그 신호전달 체계에 따라 뼈를 재생할 수 있었다.

그리고 8주가 지나자 손상된 뼈 공간이 메워지고 모든 실험동물의 다리 골절이 거의 완벽할 정도로 치유됐다. 박사는 첫 번째 성공사례가 기록된 이 실험 과정을 논문으로 작성해 세상에 공개했다.

논문 공동저자인 가디 펠드(Gadi Pelled) 교수는 “동물의 손상된 뼈 공간에서 자란 새 뼈가  이전의 건강한 상황에서 생성된 뼈만큼 강했다고 밝혔다. 이 논문은 의학 학술지 ‘과학 중개 의학’(Science Translational Medicine)에 게재됐다.

이번 논문 결과는 사람에게 같은 방식을 적용할 경우 손상된 뼈를 거의 완전하게 재생할 수 있는 가능성을 말해주고 있다. 이 새 치료법이 사람에게도 안전하고 효과적으로 판명되면 현재 쓰이는 뼈 조직 이식술을 대체할 수 있을 것으로 예상된다.

연구를 주도한 댄 개지트 교수는 이번 연구 결과와 관련, “정형외과 시술에 혁명이 일어났다”고 말했다. “공학적인 방식에 생물학적인 방식을 그동안 볼 수 없었던 미래 재생 공학을 발전시켜나가고 있다”고 말했다.