“3D프린팅 임플란트로 척수손상 회복”

쥐 실험 성공, 인체 시험 목표로 준비

3D프린팅 기술을 이용해 생체이식용 척수를 만드는데 처음으로 성공했다.

미국 캘리포니아 샌디에고대 의대와 의공학연구소 과학자팀은 ‘3D프린팅으로 만든 비계(scaffolding)에 신경줄기세포를 담아 실험용 쥐의 심한 척수 손상 부위에 이식한 결과, 척수가 자라나고 기능이 회복되는 것을 확인했다’고 최근 밝혔다.

이에 따라 앞으로 인체에도 이 기술이 적용돼 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

의학학술지 ‘네이처 메디신’(Nature Medicine) 14일자에 소개된 이 임플란트는 척수 손상 부위의 신경 성장을 촉진하고, 신경 연결과 상실된 기능을 회복하기 위한 목적으로 시도됐다.

이번 쥐 모델을 대상으로 한 실험 연구에서는 비계가 조직 재성장과 줄기세포 생존을 돕고 신경줄기세포 축삭돌기가 비계를 넘어 척수로까지의 확장을 지원하는 것으로 밝혀졌다.

쥐의 척수 손상을 복구하기 위한 스캐폴딩으로 사용된, 3D 프린팅으로 만든 2㎜짜리 임플란트(두께는 1페니 동전보다 약간 더 두껍다). 가운데 H형 코어를 둘러싸고 있는 둥근 점들은 이식된 신경줄기세포가 축삭돌기를 주 조직으로 확장할 수 있는 빈 관문들이다.  CREDIT : Jacob Koffler and Wei Zhu, UC San Diego

쥐의 척수 손상을 복구하기 위한 스캐폴딩으로 사용된, 3D 프린팅으로 만든 2㎜짜리 임플란트(두께는 1페니 동전보다 약간 더 두껍다). 가운데 H형 코어를 둘러싸고 있는 둥근 점들은 이식된 신경줄기세포가 축삭돌기를 주 조직으로 확장할 수 있는 빈 관문들이다. CREDIT : Jacob Koffler and Wei Zhu, UC San Diego

급속 3D 프린팅 기술 활용, 중추신경계 모방

논문 공저자인 마크 투진스키(Mark Tuszynski) 신경과학 교수(UC샌디에고 의대 중개 신경과학 연구소장)는 “최근 수년 간의 연구와 논문을 통해 우리는 신체기능 회복에 필수적인, 척수 손상 환자의 손상된 축삭돌기를 풍부하면서도 길게 재생시킨다는 목표에 더욱 가까워지고 있다”고 말했다.

축삭돌기는 신경세포인 뉴런을 구성하는 한 부분으로, 신호를 전달하는 기능을 하기 위해 실같이 길게 다른 신경세포로 연결돼 있다.

논문 공동 제1저자로 투진스키 교수랩의 보조 프로젝트 과학자인 코비 코플러( Kobi Koffler) 박사는 “이번 새로운 작업으로 실제 상황에 더욱 가까이 다가갔다”고 말했다.

그는 “3D 스캐폴딩은 척수에서 축삭돌기의 가느다란 묶음 배열을 재현하도록 하기 때문에 재생된 축삭돌기가 손상된 척수를 복제하도록 돕는다”고 설명했다.

논문 공동시니어 저자로 나노공학 교수이자 UC샌디에고 의공학연구소 멤버인 샤오첸 첸(Shaochen Chen) 박사팀은 급속 3D 프린팅 기술을 사용해 중추신경계 구조를 모방한 비계를 만들었다.

첸 교수는 “다리처럼 손상된 척수의 한쪽 끝에서 다른 쪽으로 재생 축삭돌기가 연결된다”고 말하고, “축삭돌기는 스스로 어떤 방향으로든 확산하고 재성장할 수 있으나 비계가 축삭돌기를 질서에 맞게 유지함으로써 올바른 방향으로 성장해 척수 연결을 완결하도록 가이드한다”고 설명했다.

'네이처 메디신' 저널에 실린 논문 제목

‘네이처 메디신’ 저널에 실린 논문  ⓒNature Medicine

빠르고 더 정확한 프린팅

이번에 개발한 임플란트는 손상된 척수의 길이에 따라 신경줄기세포와 축삭돌기 성장을 유도하는 수십 개의 작은 200마이크로미터 너비(인체 머리카락의 두 배)의 채널을 포함하고 있다.

첸 교수팀이 사용하는 프린팅 기술은 2㎜ 크기의 임플란트를 1.6초 안에 생산한다. 전통적인 노즐 프린터는 이보다 훨씬 간단한 구조를 만드는 데도 몇 시간이 걸린다.

이 과정은 인체 척수 크기에 맞추어 조절이 가능하다. 연구팀은 개념증명으로서 실제 인체 척수 손상을 MRI로 스캔해 모델링한 4㎝ 크기의 임플란트를 인쇄했다. 인쇄는 10분 안에 끝났다.

논문 공동 제1저자인 웨이 주(Wei Zhu) 나노공학 박사후 연구원은 “이는 우리 3D 프린팅 기술의 유연성을 보여주는 사례”라며, “크기와 모양에 상관없이 척수 코드 손상 부위와 잘 일치하는 임플란트를 신속하게 인쇄할 수 있다”고 밝혔다.

다극성 뉴런에 있는 축삭돌기 CREDIT : Wikimedia Commons / BruceBlaus

다극성 뉴런에 있는 축삭돌기 CREDIT : Wikimedia Commons / BruceBlaus

척수의 손실된 연결 회복

연구팀은 신경줄기세포가 들어있는 2㎜ 크기의 임플란트를 실험용 쥐의 심한 척수 손상 부위에 이식했다. 몇 달 뒤 새로운 척수 조직이 손상 부위에서 완전히 재성장해 주 척수의 절단된 끝에 연결됐다. 아울러 치료를 받은 쥐는 뒷다리의 운동기능이 현저하게 회복됐다.

코플러 박사는 “이는 척수손상 환자를 회복시키기 위한 임상시험 수행의 또다른 중요한 단계”라고 말했다.

그는 “비계가 신경줄기세포의 일관된 이식과 생존을 지원하는 안정적인 물리적 구조를 제공한다”고 말하고, “이에 힘입어 척수 손상으로 인해 종종 독성의 염증 환경이 발생하는 것으로부터 이식된 줄기세포를 보호하고, 축삭돌기가 병변 부위로 완전하게 연결되는 것을 돕는다”고 설명했다.

또 이번 연구에서는 실험용 쥐의 순환계가 임플란트 안으로 침투해 줄기세포 생존을 돕는 혈관 네트워크를 형성한 것으로 나타났다.

웨이 주 박사는 “어떻게 혈관 형성이 잘 되는가 하는 문제는 장기간 몸 속에서 기능해야 하는 가공 조직 임플란트에서 주된 장애물 중 하나였다”고 지적하고, “3D 프린트된 조직은 충분한 영양분을 얻고 쓰레기를 배출하기 위해 혈관이 필요하다”고 말했다.

주 박사 그룹도 전에 3D 인쇄된 혈관망에 대한 작업을 수행했으나 이번 작업에는 이를 포함하지 않았다. “우리 3D 비계의 뛰어난 생체적합성에 따라 생물학이 바로 자연스럽게 좋은 상태를 유지해 준다”는 게 그의 설명이다.

이번의 진전된 연구는 UC샌디에고 의대와 공대 사이의 협동이 꾸준히 점진적인 발전을 이룩하고 있음을 보여준다.

연구팀은 현재 이 기술을 확장해 인체 임상시험을 위한 예비단계로 몸체가 더 큰 동물에 대한 테스트를 준비하고 있다.

또한 다음 단계로 줄기세포 생존과 축삭돌기의 맹아를 더욱 촉진하기 위해 척수 비계 안에 단백질을 추가하는 문제를 연구할 예정이다.

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