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하이테크 섬유를 이용한 독특한 조직 대체물
해외과학 기술 동향
2015-04-03
재생의학(Regenerative medicine)은 환자 자신의 신체에서 확보한 세포를 이용해 손상된 조직을 치유하는 것이다. 프라운호퍼 협회(Fraunhofer-Gesellschaft) 과학자들은 이식(implantation) 후에 자가세포와 결합하고 성장할 수 있는 단백질을 포함하는 세포가 없는 물질을 개발하는데 성공하였다. 이 새로운 임플란트(implants) 샘플은 Medtec expo.에서 전시될 예정이다.
장기 혹은 인체 조직에 회복 불가능한 손상을 입은 환자를 치료할 수 있는 유일한 방법은, 인공 임플란트를 사용하거나 장기를 기증받는 것 뿐이다. 그러나 이런 이식(transplant)은 종종 거부반응을 유발하기도 한다. 자가세포를 이용한 임플란트는 인체의 장기에 더 쉽게 수용된다. 그러나 이런 세포가 성장하기 위해서는 적절한 구조물(structural framework)이 필요하다.
프라운호퍼 IGB 연구소(Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology)의 과학자들은 스캐폴드(scaffolds)라고 알려진 적절한 기질을 개발하는 프로젝트를 진행 중이며, 캘리포니아대학(University of California, Los Angeles; UCLA) 및 university hospital (Tubingen)도 본 연구에 참여하고 있다. 연구팀의 해법은 전기방사(electrospinning)를 이용하는 것이다. 전기방사는 폴리락타이드(polylactide)와 같은 합성 및 생분해성 고분자를 전하(electrical charge)를 이용해 섬유로 방사하는 공정을 지칭한다. 그 다음 이 섬유들을 3차원적인 부직포(non-woven) 섬유로 제작한다.
연구팀은 전기방사 공정 동안 고분자 물질에 단백질을 첨가하는 새로운 방식을 이용하였으며, 최종 생산된 섬유는 머리카락처럼 얇았다. 이런 방식으로, 이것을 인체에 삽입하였을 때 환자 자신의 세포가 부착하여 성장할 수 있도록 하는 기질로서의 역할을 수행하게 된다. 전기방사를 환자의 체내에 삽입하면 세포가 유입되어 성장하도록 도와주는, 세포가 없는 기질을 만들 수 있게 되었다. 각각의 단백질은 특정한 세포와 친화성이 있어서, 특정 세포가 스캐폴드에 부착하고 성장할 수 있도록 해 준다. 적절한 단백질을 선택함으로써, 연구팀은 심장조직을 재건하거나 다른 손상된 장기를 재생시킬 수 있게 될 것이라고 본 프로젝트에 참가한 Svenja Hinderer 박사는 평가하였다.
이 기질은 미세한 시트 형태로 만들어지고 적절한 크기로 잘라서 사용한다. 예를 들어 손상된 심장근육을 치료하기 위해, 손상된 부위 면적에 해당하는 스캐폴드를 담요처럼 근육조직 위에 덮어주면 된다. 고분자 섬유는 약 48개월 동안 인체 내에서 서서히 분해된다. 이 기간 동안, 단백질에 부착한 세포는 스스로 성장할 수 있는 환경을 찾게 되고, 자신만의 매트릭스를 구축하면서 장기 조직의 기능을 회복하게 된다.
초기 실험실 실험 및 생물반응기(bioreactor) 실험 결과는 지금까지 매우 성공적이었다. 연구팀은 체외(in vitro)에서 배양하기 어려운 식도 및 기관지 세포가 기질의 단백질 섬유에 부착하여 성장한다는 사실을 보여주었다. 다른 단백질인 SDF-1(stromal-cell derived growth factor)은 전구세포 (progenitor cells)와 결합하는데, 전구세포는 심장판막을 재건하거나 심근경색 후 심장근육의 재생에 필요한 특수한 줄기세포의 한 종류이다.
전기방사를 통해 연구팀이 제작한 임플란트는, 보통의 심장판막과 동일한 기계적 및 구조적 성질을 갖고 있다. 생물실험기에서의 실험 동안, 120 ~ 80 mmHg의 혈압에서 개폐가 이루어졌다고 hinderer는 밝혔다. 연구팀은 앞으로 동물을 대상으로 단백질이 코팅된 스캐폴드를 실험할 예정이다.
고분자 및 단백질 섬유로 이루어진 하이브리드 물질은 대량으로 생산 및 저장이 가능하다. IGB 팀은 개발된 재료를 시장에 내놓음으로써 기존의 심장판막을 빠르게 대체할 것으로 기대하고 있다. 그러나 그 기간이 얼마나 걸릴지는 예측할 수 없다. 세포가 없는 임플란트의 장점 중 하나는 의료기기로 구분되고 치료용 의약품으로 분류되지 않음으로써 승인에 빠른 시일 내에 이루어질 것이라는 점이다. 그렇다 치더라도, 본 의료기기의 승인에도 많은 비용과 기간이 필요할 것이다. 연구팀은 4월 21일부터 23일까지 Stuttgart에서 개최되는 Medtec expo에서 본 고분자 스캐폴드 샘플을 소개할 예정이다. 또한 이 기질에서 새포배양을 위한 생물반응기도 선보일 예정이다.
그림> 하이테크 섬유 재료를 이용해 인간의 조직을 대체할 수 있게 될 것이다. 본 사진은 주사전자현미경 영상으로, 전기방사된 기질에 부착된 세포들을 보여주고 있다.
* 출 처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
* 원 문 : http://phys.org/news/2015-04-tissue-substitute-high-tech-fibers.html
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