연구성과

기계 조동우・김동성 공동연구팀, 인간의 근육 모방한 체외 인공근육 재생 기술 개발

2018-09-17 276

[기존보다 2배 유사한 인공 근육 개발 성공]

연구성과_상세_조동우교수

근육 질병 치료제 개발을 위해 전 세계에서 동물을 상대로 실험하고 있지만 윤리적인 논쟁과 효과에 대한 의문은 늘 따라다니고 있다. 루게릭병과 같은 근육관련 질병의 경우 동물 실험에서는 성공적이었지만 인간에겐 다른 결과가 나오는 경우가 많아 대체할 수 있는 방법 개발이 시급하다.

기계공학과 조동우·김동성 교수, 최영진 박사와 한국기술교육대 박성제 교수 공동연구팀은 포항 방사광가속기 X-선 리소그래피*1 기술과 근육 세포의 세포외기질(extracellular matrix)*2을 사용해 인간의 몸 속 근육과 최대 2배 이상 유사한 체외 근육조직을 재생할 수 있는 기술을 개발했다.

이 기술이 상용화 된다면 근육관련 질병 치료용 신약 물질의 안정성과 성능을 체외에서 안전하게 평가할 수 있고, 필수적으로 사용됐던 동물 실험도 대체할 수 있을 전망이다. 이 논문은 국제 학술지 저널 오브 머터리얼즈 케미스트리(Journal of Materials Chemistry) 9월 12일자 표지 논문으로 게재되었다.

‘체외 근육 조직’을 만들기 위해서 그 동안은 일반적인 세포배양접시를 사용했다. 하지만 이 방법은 우리 몸 속 근육처럼 근육 세포가 한 쪽 방향으로 나란히 정렬되도록 자라나게 하지 못해 근육 조직이 실제 체내 조직과 다르게 자란다는 문제가 있었다. 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 새로운 형태의 세포배양 기판 제작에 관심을 기울였다.

연구팀은 포항방사광 가속기 X-선 리소그래피 기술을 활용해 수십 마이크로미터 크기의 부드러운 물결무늬가 새겨진 세포배양 기판을 개발했다. 이 기판은 실제 사람의 골격근 형태와 비슷한 물결무늬를 가지고 있어서 근육 세포가 한쪽 방향으로 정렬되면서 자라도록 유도할 수 있다. 이 기술을 활용하면 기존보다 2배 이상 사람의 몸과 유사한 형태의 근육 조직을 만들 수 있다.

이 기판위에 사람의 근육 조직에서 추출한 세포외기질을 코팅해, 근육 세포에게 실제 체내 근육과 유사한 성장 조건을 제공했다. 그 결과 각종 성장인자와 중요한 단백질들이 발현되는 것을 확인했는데 근육 세포의 생존율을 높이고 체내 근육 세포와 유사하게 분화하고 성숙 하도록 돕는다는 사실이 확인됐다.

연구를 주도한 조동우 교수는 “이 인공근육은 사람과 흡사한 지형적 구조와 미세 환경을 동시에 구현한데 의미가 있다”며 “체내 근육과 더욱 비슷한 인공근육 재생 기술을 확보하고 이를 활용해 신약 개발, 바이오닉스 기술 개발 등에 사용할 수 있는 체외 테스트 플랫폼으로 활용 가능할 것”이라며 기대감을 밝혔다.

특히, 본 연구를 기반으로 신경·근육과 같은 복합 조직에 대한 재생을 통해 진일보한 고성능의 체외 조직모델을 개발한다면, 생체신호 메커니즘 이해에 활용 가능한 신경·근육 조직 기반의 체외 테스트 플랫폼을 실현할 수 있을 것이다. 이를 통해 여전히 미지의 영역인 생각-신경-근육-움직임 간 신호 전달 방법 및 체계에 대한 이해를 넓히고, 궁극적으로 생체신호에 기반 하는 보철기기의 개발에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

한편 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 생체모사형 메카트로닉스 융합기술개발사업(사업단장 한국과학기술연구원 오상록박사)의 지원으로 수행됐다.
 


1. X-선 리소그래피 (deep X-ray lithography)
고에너지의 X선을 감광재료에 선택적으로 조사해 미세구조물을 형성하는 기술이다. 직진성과 투과성이 높은 X선을 사용하기 때문에, 기존의 미세구조물 제작기술로 구현이 어려운 고폭비(high-aspect-ratio)의 미세구조물을 제작할 수 있는 장점을 가지고 있다. 응용방법에 따라 3차원 형상의 다양한 미세구조물을 만들 수 있어 센서, 광학, 바이오 등 여러 분야에 활용할 수 있다.

2.세포외기질(extracellular matrix)
체내에서 세포와 세포의 연결체 및 구조적 지지를 담당한다. 최근에는 세포외기질이 세포의 성장, 분화 및 여러 생리활성의 조절을 담당하는 것으로 확인되어 재생의학 분야에 그 중요성이 대두되고 있다.