광메카트로닉스공학과 한동욱 교수 연구팀이 인천대와의 공동연구로, 차세대 의료 기술로 각광받는 3D 바이오프린팅*을 통해 소실 부위가 큰 체적 근육 손실(volumetric muscle loss, VML) 치료를 위한 산소 생성 바이오잉크(bioink)를 개발했다.

* 3D 바이오프린팅: 세포나 생체물질을 층층이 쌓아 올려 살아 있는 조직이나 장기 구조물을 만드는 기술.

‘바이오잉크’는 세포나 생체물질이 섞여 있는 3D 바이오프린팅의 원료다. 세포 생존율을 높이기 위해 산소 공급이 중요한데, 기존 연구에서는 기술적 문제로 인해 구현하기가 어려웠다. 

이번에 개발된 산소 생성 바이오잉크는 전쟁·우주와 같이 의료 서비스가 닿지 않는 극한 환경에서도 활용도가 높을 뿐만 아니라, 기존 치료법(조직 이식, 약물 치료 등)의 면역 반응, 공여 부위 손상, 감염, 낮은 생착률 및 기능성 등 대부분의 문제 해결이 가능할 것으로 기대된다.

【『테라노스틱스(Theranostics)』 3월호 표지 이미지】

산소 방출을 통한 과산화마그네슘의 근분화(筋分化) 촉진 기전을 밝힌 이번 연구는 진단 의학 및 재생 의학 분야에서 세계적으로 인정받은 국제 학술지 『테라노스틱스(Theranostics)』 3월호 표지 논문으로 선정됐다.

- 논문 제목: 3D bioprintable Mg²⁺-incorporated hydrogels tailored for regeneration of volumetric muscle loss(체적 근육 손실 회복을 위한 3D 바이오프린팅 기반 마그네슘 이온 포함 하이드로젤)

- 논문 링크: https://www.thno.org/v15p2185.htm 

‘체적 근육 손실(VML)’은 대규모 외상에 따른 골격근의 상당량(20% 이상) 손실을 의미한다. 이로 인한 근육 기능 상실과 같은 후유증이 있으며 의학계에서 조직공학 기반의 VML 치료 연구가 활발히 진행 중이다. 

현재까지 개발된 3D 바이오프린팅 이식재는 세포 생존율을 높이기 위한 산소 및 영양소 전달 기술이 부족해 중심부에서 괴사가 빈번하게 발생했다. 또한 기존의 산소 공급 기술들은 장기적이고 지속적인 산소 공급이 어려워 실질적인 조직 재생 효과가 제한적이었다. 

이에 따라 조직 손상 초기에 세포의 생존 및 분화를 유도하면서도 조직의 크기와 상관없이 안정적이고 지속적인 산소 공급을 제공하는 바이오잉크 소재 개발이 요구돼 왔다.

이번에 연구팀은 세포 생존 및 근육 재생 신호를 동시에 제공하는 과산화마그네슘(MgO₂)을 도입한 바이오잉크(GtnSH/GtnMI/MgO₂)를 개발했다. 티올화 젤라틴(GtnSH)과 말레마이드화 젤라틴(GtnMI)을 이용한 이중 가교 결합을 통해 생체적합성이 뛰어난 3D 바이오프린팅용 바이오잉크를 제작했고, 과산화마그네슘은 국소적으로 산소를 방출해 이식된 세포의 생존율과 근육 재생을 촉진시켰다.

제작된 바이오잉크는 세포 배양 환경에서 즉각적으로 가교 결합이 가능했고, 프린팅 후 세포의 높은 생존율이 유지됐다. 또한 과산화마그네슘은 세포에 지속적인 산소 공급 및 근육 형성 신호를 제공해 분화 인자 없이도 근아세포(myoblast)가 근관세포(myotube)로 빠르게 분화되도록 유도했다.

※ 근아세포(myoblast)는 근섬유로 분화되기 전의 미분화 상태의 세포이며, 근관세포(myotube)는 여러 개의 근아세포가 융합해 만들어진 다핵성 세포로, 성숙한 골격근 세포(근섬유)로 분화하는 중간 단계이다. 근아세포 → 근관세포 → 근섬유(성숙한 골격근 세포) 순서로 분화가 이뤄진다.

【3D 바이오프린팅으로 제작한 근육 모사체를 마우스 체적 근육 손실 모델에 이식】

연구팀은 체적 근육 손실 마우스 모델에 바이오프린팅 조직 모사체를 이식한 결과, 손상된 근육 조직이 효과적으로 회복됨을 확인했다. 특히 과산화마그네슘을 포함한 그룹은 기존 소재 대비 근육 질량이 약 144% 증가하고 손상 부위가 37% 이상 감소하는 뛰어난 조직 재생 효과를 보였다. 또한 면역 조직학적 분석을 통해 과산화마그네슘이 항염증성 면역세포인 M2 대식세포의 활성화와 면역 체계를 조절하고 손상 부위에 정밀하게 대응하는 기능을 하는 CD4⁺, CD8⁺ T세포 활성을 조절해 조직 재생 과정을 촉진함을 규명했다.

한동욱 교수는 “이번 연구는 기존 치료법으로 재생이 어려웠던 심각한 근육 손상을 효과적·즉각적으로 치료해 근육량 및 기능 회복을 촉진할 것으로 예상되며, 스포츠 손상, 교통사고 환자, 군인 및 기타 외상 환자 등 다양한 임상 환경에서 맞춤형 이식재로의 활용이 전망된다. 특히, 우주 환경이나 전쟁 등 극한 의료 환경에서 효과적인 응급 치료 전략이 될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 

이어 “향후 근육뿐만 아니라 뼈, 연골, 신경 등 다양한 조직 재생 치료제 개발로 연구가 확장돼 바이오프린팅 기반 재생의료 산업의 실용화를 촉진하길 바란다”고 덧붙였다.

이번 연구는 부산대 나노바이오융합연구소 강문성 박사후연구원, 인천대 생명나노바이오공학전공 김정민 박사과정생이 공동 제1저자, 부산대 광메카트로닉스공학과(대학원 인지메카트로닉스공학과) 한동욱 교수, 인천대 생명공학부 박경민 교수가 공동 교신저자로 수행했다. 

해당 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 수행된 한국연구재단 글로벌 선도연구센터(IRC), 중견연구자지원사업 등의 지원을 받았다.

* 상단 연구진 사진: 위쪽부터 한동욱 교수, 강문성 박사후연구원.

[Abstract]

Joint research team from Pusan National University (PI: Prof. Dong-Wook Han) and Incheon National University (PI: Prof. Kyung Min Park) have developed oxygen-generating bioink (i.e., a raw material for 3D bioprinting containing cells and biological components) for restoration of severe muscle injuries.

This bioink contains magnesium peroxide, which slowly generate oxygen to maintain cells alive and support muscle regeneration. It was designed to treat volumetric muscle loss (VML), which means a serious condition where large portions of muscle are damaged, such as in war injuries or car accidents.

When transplanted in mice, the 3D bioprinted muscles helped restore muscle tissue more faster and effective than current methods, and also reduced inflammation. The researchers believe this technology could be used in emergency situations, such as battlefield injuries or space missions, and potentially can be applied for regeneration of other tissues like bone or nerves.

- Authors (Pusan National University)

 · First author: Moon Sung Kang (Institute of Nano-Bio Convergence)

 · Corresponding author: Dong-Wook Han (Department of Optics & Mechatronics Engineering)

- Title of original paper: 3D bioprintable Mg²⁺-incorporated hydrogels tailored for regeneration of volumetric muscle loss

- Journal: Theranostics

- Web link: https://www.thno.org/v15p2185.htm

- Contact e-mail: nanohan@pusan.ac.kr