국내 연구진이 손상된 근육을 회복하기 위해 재활 치료를 받을 때 사용되는 조직 보형물의 한계를 극복할 새로운 방법을 찾아냈다. 주사 방식으로 손상된 근육이나 신경 조직 부위를 채우는 방식인데 실제 근육처럼 작동할 수 있어 근육이 크게 손상된 환자의 재활 치료에 새로운 길이 열릴 것으로 기대를 모은다.
기초과학연구원(IBS) 뇌과학이미징 연구단 신미경 참여교수(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 부교수)와 손동희 참여교수(성균관대 전자전기공학부 부교수) 연구진은 2일 손상된 근육 조직의 기능을 대체하는 주사 주입형 바이오 신소재를 개발했다고 밝혔다.
근육이 심각하게 손상되면 초기에 적절한 치료를 받아야 한다. 초기에 제대로 치료하지 않으면 만성적으로 근육 기능이 망가지고, 이로 인해 만성적인 장애까지 생길 수 있다. 손상된 근육을 회복하려면 재활 치료가 필요한데, 이때 조직 보형물이 사용된다. 조직 보형물은 조직의 형태를 그대로 모사하는 인공 구조물을 말한다. 사지가 절단된 환자의 보형물부터 성형 수술에 이용되는 보형물, 치아 임플란트도 모두 조직 보형물이다.
조직 보형물은 주로 수술을 통해 인체의 결손 부위를 채우는데 몸 밖의 장치와 몸 속 조직을 연결하는 소자의 크기가 커서 사용하기 어렵고 작은 상처에 적용하기 어렵다는 한계가 있었다.
연구진은 피부 미용 필러로 쓰이는 히알루로산 소재를 이용해 인체 조직처럼 부드러운 하이드로젤 소재를 만들었다. 기존에도 주사로 주입하는 방식의 전도성 하이드로젤이 있었다. 하지만 재료의 기계적 물성이 매우 약해 체내에서 형태를 유지하기 어려웠다. 연구진은 이런 한계점 극복을 위해 금 나노입자를 투입해 전기 저항을 낮췄다. 또 기계적 안정성을 높이기 위해 분자들이 자유롭게 재배열하게 만들어 필러처럼 주사기로 주입할 수 있는 소재를 개발했다.
연구진은 새로 만든 소재를 손상된 근육과 신경에 주사로 주입했다. 그 결과 좁고 거친 손상 조직 표면에 보형물이 밀착 접촉하는 것을 확인했다. 보형물이 조직의 손상된 부위를 채워 건강한 조직에서 발생하는 전기생리학적 신호를 성공적으로 전달하는 것도 확인했다.
연구진은 마우스 실험으로 이 소재를 직접 확인했다. 경골전방근육이 심하게 손상된 쥐의 조직 손상 부위에 보형물을 주사하고, 말초신경에 전기 자극을 가할 수 있도록 인터페이싱 소자를 이식했다.
실험 결과 전도성 하이드로젤을 조직 손상 부위에 채우는 것만으로도 조직 재생이 개선됐다. 신경 전기 자극을 주었을 때 발생하는 근전도 신호를 계측해 보행 보조 로봇을 작동시키고, 쥐의 보행을 성공적으로 보조했다. 또 신경 자극을 따로 주지 않아도 전도성 하이드로젤의 조직 간 신호 전달 효과를 이용하면 로봇 보조를 통한 쥐의 보행 재활 훈련이 가능한 점도 확인했다. 실험 전 조직 손상으로 잘 걷지 못하던 쥐가 단 3일 만에 로봇 보조를 통해 정상적 보행이 가능하게 됐다.
논문 공동 교신저자인 신미경 교수는 “해당 기술은 근육과 말초신경 뿐만 아니라 뇌와 심장을 포함해 다양한 장기에 적용할 수 있는 조직 재생용 신물질로 활용 가능할 것”이라고 말했다.
손동희 교수는 “설치류 모델을 통해 실험했을 때 근육이 30~50% 손상됐을 때 개발된 기술을 통해 회복한 것을 확인했다”면서 “사람 근육은 20~30% 제거된 상태일 때에도 효과가 나타날 것으로 보이지만 정확한 수치는 동물 실험을 포함해 추가 연구를 통해 알 수 있다”고 말했다.
이번 연구 관련 논문은 국제 학술지 네이처(Nautre)에 2일 게재됐다.
참고 자료
Nature(2023), DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06628-x