성균관대 김근형 교수 연구팀, 신개념 신경근접합부 생체-칩 개발 
- 근육 조직과 혈관-스페로이드 동시 제작이 가능한 바이오프린팅 플랫폼 개발
- 바이오프린팅 인공근육 구조체의 혈관, 근육 형성 및 신경근접합부 형성 검증

□ 근육의 기능 상실과 관련된 질병, 특히 루게릭병, 근무력증, 근육이영양증 등 근신경계 질환은 대부분 신경근접합부(neuromuscular junction, NMJ*)의 기능에 장애를 보인다. 따라서 근신경계 질환 연구를 위한 체외 생체-칩 모델 제작 시 NMJ의 기능과 병리학·생리학적 특성에 대한 이해가 필요하다.
* NMJ: 신경세포 말단이 근섬유에 연결되어 근육의 운동을 조절할 수 있는 시냅스

□ 인공근육 제작할 때에는 근육의 복잡한 3차원 구조와 생리학적 특성 모사가 중요하며 이를 위해 바이오프린팅 기술이나 하이드로겔의 자가조립 방법이 주로 활용되고 있지만 이는 세포의 기능과 상호작용, 큰 부피 구조체 제작 등에 한계가 있다.

□ 이러한 문제점들을 해결하기 위해 성균관대학교(총장 유지범) 의학과 김근형 교수 연구팀은 마이크로-플루이딕, 바이오프린팅 플랫폼을 개발하여 배열된 근육조직에 세포 간 상호작용을 향상할 수 있는 혈관-스페로이드가 포함된 인공근육 구조체를 제작하였다.

□ 연구팀은 인공근육 구조체 바이오프린팅 시 전기장 자극을 가하여 dECM-MA* 바이오잉크에 포함된 세포의 배열을 유도하고, 세포막 이온 채널 등 생물학적 기능을 활성화하였다. 또한, 혈관-스페로이드를 통해 효과적인 혈관 및 근섬유 형성이 가능했다. 연구팀은 NMJ 생체-칩 모델을 통해 제작한 인공근육이 주변 신경세포의 축삭(axon) 유입과 NMJ 형성을 효과적으로 유도할 수 있음을 확인하였다.
* dECM-MA: 자외선(UV) 노출로 경화가 가능한 광경화성 탈세포화 세포외기질

□ 연구팀은 또한, GelMA* 및 콜라겐 두 종류 바이오잉크의 유변학적 특성 차이를 이용해 구슬이 바늘에 꿰인 형태인 ‘rosary shaped structure’ 신경-스페로이드가 포함된 인공근육을 제작하였다. 또한, 신경-스페로이드는 높은 생물학적 기능을 바탕으로 신경섬유와 근섬유뿐 아니라 NMJ 형성을 효과적으로 유도하였다. 
* GelMA: UV 노출을 통해 경화가 가능한 광경화성 젤라틴

□ 김근형 교수는 “새로운 마이크로-플루이딕, 바이오프린팅 플랫폼 개발을 통한 세포-스페로이드가 포함된 인공근육 제작 결과 보여주며, 향상된 세포 간 상호작용을 통해 근섬유 형성과 혈관 및 NMJ 형성을 효과적으로 유도할 수 있는 NMJ 생체-칩 모델을 제시한다. 향후 본 연구에서 제작한 인공근육은 근신경계 질환과 이의 치료에 관한 다양한 연구에 적용가능할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 

□ 이번 연구 결과는 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원 바이오산업핵심기술개발사업과 질병관리청 사업의 지원으로 수행되었으며, 응용화학공학 분야 국제 학술지인 Chemical Engineering Journal(IF: 15.1)*과 응용물리학 분야 국제 학술지인 Applied Physics Reviews(IF: 19.5)**에 7월 23일과 8월 14일에 각각 게재되었다.

* 논문명: Formation of various cell-aggregated structures in the core of hydrogel filament using a microfluidic device and its application as an in vitro neuromuscular junction model (2023. 7. 23.).
** 논문명: Bioprinting 3D muscle tissue supplemented with endothelial-spheroids for neuromuscular junction model (2023. 8. 14.).

8월 18일 금요일자 보도자료 - 첨부파일 참조