바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 연구팀,

줄기세포 신호 전달 체계 조절이 가능한 세포·프린터 장비(Pri-actor) 및 

근육재생 인공세포조직 개발

- 세포·프린팅 공정 중 전기/물리적 자극 제어를 통한

줄기세포 신호 전달 체계 조절 및 근 분화 유도 성공

- Pri-actor를 활용해 제작된 인공 근육, 골격근 손상 동물 모델의

근육 조직 및 근 기능 회복에 매우 효과적

□ 1970년대 후반부터 시작된 인공장기 개발 연구가 기계·전자·소재 분야의 융합으로 손상된 장기의 기능을 대신할 수 있도록 설계된 “대체 장치”의 개발이었다면, 2000년 전후로 3D프린팅 기술이 조직공학용 인공지지체(scaffold) 제작에 응용되면서 최근에는 실제 세포를 이용하여 조직 및 장기를 직접적으로 만들어내는 기술인 세포 프린팅 기술이 활발히 연구되고 있다.

□ 세포·프린팅기술은 기존의 일반 소재가 아닌 살아 있는 세포를 직접 프린팅해 인체 조직 구조를 만들고, 이를 배양해 인체에 이식 가능한 조직 및 장기를 제작할 수 있다. 본 기술에서 가장 중요한 것은 조직 및 장기의 해부학적 구조를 정확히 모사하고, 프린팅 된 구조체 내부에 함유되어 있는 다양한 세포의 성장 및 분화를 효율적으로 제어함으로써 손실 조직의 빠른 복구를 유도하는 것이다. 그러나 기존의 세포·프린팅 기술들은 다양한 세포를 프린팅과 동시에 효과적으로 분화시키지 못한다는 단점이 있었다.

□ 이에 성균관대학교(총장 신동렬) 바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 연구팀(김원진, 이형진, 황보한준 연구원)은 세포·프린팅 공정 중 바이오잉크에 함유되어 있는 줄기세포의 성장과 분화를 효율적으로 제어할 수 있는 바이오리액터가 결합된 융합 세포·프린팅 기술(Pri-actor)을 세계 최초로 개발했다.

□ Pri-actor 기술은 살아있는 세포가 포함된 바이오잉크를 프린팅하는 기술인 세포·프린팅 기술과 세포배양 시 일정한 물리적 자극을 통해 세포의 성장과 분화를 조절할 수 있는 바이오리액터 기술이 융합된 개념이다.

□ 연구팀이 개발한 바이오리액터-세포·프린팅 융합 공정 기술은 프린팅 공정 중 바이오잉크를 물리적 자극(전기장 및 자외선 에너지)에 단시간 노출시키도록 설계되었다. 이때 프린팅과 동시에 가해진 전기적·물리적 자극이 바이오잉크에 내포된 지방유래 줄기세포의 성장과 근육세포로의 분화를 효과적으로 유도할 수 있었다.

□ 연구팀은 0.1초 이하로 가해지는 전기장 세기를 포함한 다양한 프린팅 공정 조건을 최적화하였으며, 이를 통해 줄기세포의 신호 전달 체계 및 이온전압채널을 활성화시킴과 동시에 제작된 인공 근조직을 배열 근육조직으로 유도하여 효과적인 근 섬유로의 분화를 유도했다.

□ 제작된 인공 근육을 골격근 손상 동물모델에 이식하였을 때 실제 근육처럼 근섬유가 재생되었으며, 사람의 근육조직을 이루는 신경-근접합과 신생 혈관 형성 또한 매우 뛰어났다. 뿐만 아니라 전기신호를 통한 근력측정 및 동물모델의 운동성 관찰을 통해 근육의 기능을 완벽히 회복한 것으로 확인되었다.

□ 김근형 교수는 “본 연구를 통해 개발된 새로운 Pri-actor 기술은 근육의 해부학적 환경을 최적으로 모사하는 인공 근육을 제작할 수 있을 뿐만 아니라 동물 모델에 이식한 후 실제 근육의 기능에 가깝게 재생시킬 수 있다”며, “나아가 이 기술에 포함된 물리적 자극의 조절을 통해 근육과 다양한 인체조직을 타깃으로 하는 줄기세포 분화를 직접적으로 유도 가능한 조직 맞춤형 인공 장기 제작 시스템으로 재생의료 분야에서 효과적으로 이용이 가능할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

□ 본 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업 및 자연모사혁신기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 재료과학응용 분야 국제학술지 어드벤스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials, Impact factor=18.8, 21년 8월), 생체재료과학 분야 바이오엑티브 머터리얼즈(Bioactive Materials, Impact factor=14.6, 21년 7월), 응용화학공학분야 케미컬엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, Impact factor= 13.3, 21년 4월)에 각각 게재되었다. 또한 관련 연구는 아리랑TV BizTech KOREA “Outlook for regenerative medicine”에 8.4(수) 소개되었다.

※ 논문명
- A Bioprinting Process Supplemented with In Situ Electrical Stimulation Directly Induces Significant Myotube Formation and Myogenesis.(Advanced Functional Materials)
- Bio-printing of aligned GelMa-based cell-laden structure for muscle tissue regeneration. (Bioactive Materials)
- Bioprinted hASC-laden structures with cell-differentiation niches for muscle regeneration. (Chemical Engineering Journal)
※ 아리랑TV 소개 링크 : https://www.youtube.com/watch?v=VsgMBgr3EwU