“3D 프린팅 패치로 수술 없이 치료”

심부전 치료, “수년 내 인간 적용”

심장마비 후 환자의 손상된 심장 조직을 치료할 수 있는 혁신적인 3D 바이오프린팅 패치가 개발됐다.

미국 미네소타대 생의학 공학 연구팀이 개발에 성공, 특허를 출원한 이 방법은 심장마비에 걸린 후 조직이 손상된 환자 치료에 획기적인 도움을 줄 것으로 기대되고 있다. 이번 연구는 미국심장협회(AHA)가 발행하는 ‘순환 연구’(Circulation Research) 14일자에 발표됐다.

미국심장협회에 따르면 심장병은 미국에서 사망 원인 1위를 기록하고 있으며, 해마다 36만 명이 심장병으로 사망한다. 일단 심장 발작이 일어나면 심장 근육에 혈액 공급이 안돼 심장 세포가 죽게 된다.

심장마비 후 손상된 심장 조직을 치료할 수 있는 혁신적인 3D 바이오프린팅 패치를 만든 미국 미네소타대 브렌다 오글 부교수(오른쪽)와 몰리 쿠퍼 박사과정 연구원(왼쪽).  Credit: Patrick O’Leary, University of Minnesota

심장마비 후 손상된 심장 조직을 치료할 수 있는 혁신적인 3D 바이오프린팅 패치를 만든 미국 미네소타대 브렌다 오글 부교수(오른쪽)와 몰리 쿠퍼 박사과정 연구원(왼쪽). Credit: Patrick O’Leary, University of Minnesota

인체에 흡수돼 별도 수술 필요 없어

심장세포가 죽으면 우리 몸은 죽은 심장세포를 대체할 수 없기 때문에 그 부위에 흉터 조직이 만들어진다. 그러나 이로 인해 심장 기능에 문제가 생길 위험이 높아지고 나중에 심부전 증상이 생길 수  있다.

이번 연구에서 미네소타-트윈시티대, 위스컨신-매디슨대, 및 앨라바바-버밍햄대 연구진은 레이저 기반의 3D 바이오프린팅 기술을 이용해 성인의 심장세포에서 추출한 줄기세포를 실험실 배양접시의 기질(matrix)에 혼합했다. 그러자 이 세포들은 성장하면서 박동하기 시작했다(https://youtu.be/4VqIiqZ-tkU).

이 세포 패치를 심장마비를 일으킨 쥐의 심장에 붙이자 4주 만에 심장의 기능 용량이 크게 증가한 것으로 나타났다. 이 패치는 심장에 있는 세포와 구조 단백질로 만들어졌기 때문에 심장의 일부로 흡수돼 별도의 수술이 필요하지 않다.

레이저 기반 3D 바이오 프린팅 기술로 만든 구조 단백질과 줄기세포 유래 인간 심장 세포를 통합한 세포 패치가 박동하는 비디오(https://youtu.be/4VqIiqZ-tkU) 캡처 사진. Credit: Brenda Ogle, University of Minnesota

레이저 기반 3D 바이오 프린팅 기술로 만든 구조 단백질과 줄기세포 유래 인간 심장 세포를 통합한 세포 패치가 박동하는 모습(https://youtu.be/4VqIiqZ-tkU) 캡처 사진. Credit: Brenda Ogle, University of Minnesota

심장 단백질 3D 프린팅해 심장세포와 통합

브렌다 오글(Brenda Ogle) 미네소타대 부교수(생의학 공학)는 “이 결과는 미국에서 사망원인 1위인 심장병 치료를 크게 향상시킬 수 있는 획기적인 진전”이라며, “앞으로 몇 년 안에 더 큰 동물과 인간의 심장까지 고칠 수 있도록 기술을 발전시키겠다”고 밝혔다.

오글 교수는 이번 연구가 원래의 심장 조직에 있는 구조 단백질을 디지털 삼차원으로 스캔해 모델링했기 때문에 이전의 연구와는 다르다고 말했다. 디지털 모델은 심장에 있는 고유한 단백질을 3D 프린팅해 심장 줄기세포에서 유래한 심장세포 타입과 통합한 물리 구조로 만들었다. 오글 교수는 인체 심장 조직 구조를 모방하는데 필요한 미크론 단위의 해상도를 얻기 위해 이 유형의 3D  바이오프린팅이 필수적이었다고 설명했다.

3D 바이오 프린팅된 세포 패치 모습. 심장마비를 일으킨 쥐의 심장에 이 패치를 붙이자 4 주 만에 기능 용량이 크게 증가하는 것으로 나타났다.  Credit: Patrick O’Leary, University of Minnesota

3D 바이오 프린팅된 세포 패치 모습. 심장마비를 일으킨 쥐의 심장에 이 패치를 붙이자 4 주 만에 기능 용량이 크게 증가하는 것으로 나타났다. Credit: Patrick O’Leary, University of Minnesota

돼지 심장용 패치 개발 이미 시작

오글 교수는 “심장이 매우 복잡한 장기인데도 불구하고 우리가 만든 모델이 잘 작동하는 것을 보고 매우 놀랐다”며, “세포가 구조적으로 잘 정렬돼 있는 한편 패치의 움직임을 통해 연속적인 전기신호 파동이 생성되는 모습을 보고 용기를 얻었다”고 말했다.

오글 교수는 좀더 큰 패치를 개발하기 위해 다음 단계의 연구를 이미 시작했다고 밝혔다. 연구팀은 이 연구에서 인간 심장과 크기가 비슷한 돼지 심장용 시험 패치를 개발할 예정이다.

이번 연구는 미국 국립과학재단과 국립보건원, 미네소타 심장연구소 및 미네소타 의공학연구소의 재정 지원을 받았으며, 오글 랩 멤버인 한인 과학자 정장욱( Jangwook P. Jung) 루이지애나 주립대 조교수(생의학 공학)도 연구에 참여했다.

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