- 기계공학과 전성윤, 심기동 교수팀, 미세유체칩 기반 조직공학 기술로 3D 인공근육 조직 최적화 제작법 개발

- 근육 조직 구조 개발을 위한 강력한 프레임워크 제시로 노화, 근감소증 등에 따른 질병 연구 및 근골격계 조직공학 분야에 상당한 기여를 할 것으로 기대

KAIST 연구진이 포토리소그래피 공정 기반의 바이오 미세유체시스템을 이용해 체외에서 안정적으로 골격근 조직을 제작하는 데 성공했다. 이 기술은 향후 근골격계 질병 연구 및 인공 생체 조직 제작에 크게 기여할 것으로 기대된다.

▲(왼쪽부터) 김인우 박사과정, 전성윤 교수, 김재상 박사

인체의 상당 부분을 차지하는 골격근을 이제 KAIST 연구진에 의해 랩온어칩과 같은 첨단 바이오 제조 기술을 적용해 안정적인 제작이 가능하게 됐다. 

KAIST는 기계공학과 바이오미세유체 연구실 전성윤 교수 연구팀이 기계공학과 심기동 교수팀과 공동 연구를 통해, 체외 삼차원 환경에서 골격근 조직을 제작하는 바이오 미세유체시스템(Biomicrofluidic system)*을 개발했다고 27일 밝혔다. 

*바이오 미세유체시스템: 반도체 회로 제조 등에 사용되는 포토리소그래피(Photolithography) 공정 등을 기반으로 제작되는 마이크로 스케일의 시스템으로, 세포 및 생체조직 배양, 유동 생성 및 제어 등에 활용됨

연구팀은 해당 연구에서 자체 개발한 미세유체시스템을 사용해 골격근 조직 배양에 있어 큰 비중을 차지하는 하이드로겔의 구성 성분, 겔화 시간, 세포의 농도를 조절해 다양한 조건에서 삼차원 근육 밴드를 제작했다. 

또한, 제작된 골격근 조직에 대해 근육의 수축력 및 반응 속도 측정과 함께 조직 형태, 기계적 특성, 골격근 성장 및 분화와 관련된 유전자 발현 비교 등 다양한 분석을 진행했다. 그리고 결과 분석을 통해 최적의 근육 조직 제작법을 확립했으며, 이러한 최적의 제작법으로 배양했을 때 견고한 골격근 조직이 제작된 것을 확인했다.

조직공학 및 배양 시스템 설계의 중요성을 강조한 이번 연구에서는, 하이드로젤 특성이 3D 근골격계 조직 발달에 미치는 영향을 조사했다. 주요 연구 결과에 따르면 하이드로젤의 기계적 특성은 세포 분화와 조직 기능을 높인다. 

전성윤 교수는 “이번 연구는 인공 골격근 조직 배양에 있어 세포가 함유된 하이드로젤 제조에 대한 조건의 영향을 탐구함으로써 기존의 균일하지 못한 배양 방식에 가이드라인을 제시하고, 치료 응용 및 질병 모델링을 위한 조직 공학 최적화를 위한 필수 인사이트를 제공한다. 그리고 향후 골격근뿐 아니라 심장이나 골수와 같은 인공 생체 조직 제작에 도움을 주고 본 플랫폼은 노화나 우주 미세중력등에 의한 근감소증을 비롯한 여러 근골격계 질병 연구에 활용 될 것을 기대한다”고 말했다.

KAIST 기계공학과 김재상 박사 및 김인우 박사과정 학생이 공동으로 진행한 이번 연구는, 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced functional materials)’에 2024년 10월 7일자로 게제됐다.

(논문명 : Strategic Approaches in Generation of Robust Microphysiological 3D Musculoskeletal Tissue System. https://doi.org/10.1002/adfm.202410872)

한편 이번 연구는 한국연구재단 및 BK21 사업의 지원으로 수행되었다.

그림1. 근육 조직 최적화를 위한 미세유체칩 모식도 및 전기 자극에 대한 근육 수축 반응 시뮬레이션. 근육 조직의 내부 스트레스 및 네킹(necking) 현상을 고려해 설계되었으며, 근육 조직 제작 시 발생하는 상당한 양의 젤 수축에서도 안정적인 조직 배양이 가능함을 검증했다. 또한, 기존의 단순한 집중 하중 모델에서 큰 변형량, 분산 하중 등 해석에 큰 영향을 미치는 설계 변수를 고려한 근수축 모델을 설계를 통해 더욱 정교한 근육의 수축력 측정이 가능함을 입증했다.

그림2. 최적 및 최악 설계 조건에서 배양된 골격근 조직 현미경 이미지. 삼차원 근육 조직의 제작법을 최적화하고, 미세유체시스템을 이용해 따라 각각 최척, 최악의 조건에서 조직을 배양했다. 이후 근 수축력 비교, 형광 염색, PCR을 통한 유전자 발현 분석 등 정밀한 비교 분석을 통해 골격근 조직 제작에 있어 배양법의 중요성을 입증했다.