▲헥사노일 글리콜 키토산 기반 맥신 담지 주입형 전도성 수화젤의 모식도.글리콜 키토산에 소수성 헥사노일 작용기를 도입해 체온 범위에서 졸-젤 전이가 유도되며, 전기전도성이 우수한 맥신 나노입자를 도입함으로써 전도성이 향상된 수화젤을 제작. 이 수화젤은 불규칙한 근육 손실 부위에 정밀하게 주입 가능하며, 전기 전도성과 전기자극을 기반으로 골격근 재생 효과를 극대화함. ⓒ GIST 제공
광범위한 근육 손상을 간단한 주사 방식으로 치료할 수 있는 '전도성 수화젤 플랫폼'이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 특히 근육 대량 손실(volumetric muscle loss, VML) 모델을 대상으로 실험한 결과, 전기 자극 병행 시 수축력·회복력에서 뚜렷한 향상이 입증돼 차세대 재생의학 치료법으로 주목된다.
광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 10일 "이재영 신소재공학과 교수와 허강무 충남대학교 유기재료공학과 교수 공동연구팀이 근육 대량 손실(VML)을 효과적으로 치료할 수 있는 주입형 전도성 수화젤을 개발했다"고 밝혔다.
이어 GIST는 "이 수화젤 플랫폼은 체내에 주입되면 체온에 반응해 손상 부위에 맞춰 모양을 잡고, 전기 자극을 함께 활용하면 정상 근육에 가까운 수준으로 기능 회복이 가능한 것으로 확인됐다"면서 "이번 연구는 단순히 손상 조직을 채우는 '물리적 보충'에 그치지 않고, 생체 내 세포 활성화와 기능 회복을 유도하는 적극적 재생 치료 플랫폼이라는 점에서 의미가 크다"고 강조했다.
일반적으로 '근육 대량 손실(VML)'은 교통사고나 군사적 부상, 외과 수술, 격렬한 운동 등으로 인해 골격근 조직이 광범위하게 손상되는 질환으로, 자연적인 기능 회복이 어려운 난치성 손상이다.
GIST에 따르면, 현재까지는 자가 조직을 이식하는 방법이 주로 사용되고 있으나 이식 가능한 조직량이 제한적이다. 또 조직을 떼어 낸 부위(공여 부위)에서 감염, 통증, 흉터 등 2차 합병증이 발생할 수 있어 치료에 어려움이 많다고 한다.
이러한 이런 한계를 극복하기 위한 대안으로, 최근 '수화젤(hydrogel)' 기반의 조직 재생 기술이 주목받고 있다는 것. '수화젤'은 천연 및 합성 고분자를 기반으로 하며, 생체조직과 유사한 구조 및 기계적 특성을 모사할 수 있고, 생체적합성이 높아 조직 이식의 유력한 대안으로 연구가 활발히 진행 중이란 설명이다.
무엇보다 전기적 특성이 중요한 골격근·심근·신경 조직의 경우 전도성 물질을 활용한 수화젤이 세포의 전기적 활동을 촉진해 조직 재생 효과를 높일 수 있어 더욱 주목된다고 부연했다.
▲체온 범위에서의 졸-젤 전이, 향상된 전기적 특성 및 근육 재생 효과 평가.제작된 주입형 전도성 수화젤은 생리적 온도(약 30°C)에서 졸-젤 전이가 발생하며, 맥신 나노입자 도입으로 전기전도도 증가 및 임피던스 감소가 확인됨. 근육 대량 손실 동물 모델에 적용한 결과, 기능적(근육 힘·무게 회복), 조직학적(근섬유 성숙, 섬유화 억제) 지표에서 우수한 재생 효과가 확인됨. ⓒ GIST 제공
이에 GIST-충남대 공동 연구팀은 천연 고분자인 글리콜 키토산(glycol chitosan)에 물과 잘 섞이지 않는 특성을 지닌 헥사노일(hexanoyl) 구조를 도입, 온도에 반응하는 수화제를 개발했다. 여기에 전기전도성이 뛰어난 '맥신(MXene)' 나노입자를 혼합해 주입형 전도성 수화젤을 완성했다.
연구팀은 이 수화젤에 대해 "상온에서는 액체 상태를 유지하다가 체온(약 30°C) 범위에 도달하면 젤 상태로 전환돼 쉽게 주사할 수 있으며, 불규칙한 근육 손상 부위에도 정밀하게 자리잡고 고정된다"면서 "높은 전기전도성(0.72 mS/cm) 및 낮은 임피던스(2.03 kΩ)를 지녀, 골격근과 같은 전기 활성 조직의 재생을 촉진하고 전기 자극 전달에도 적합하다"고 소개했다.
또한 연구팀은 이 수화젤의 생체 적용 가능성을 확인하기 위해 근육 대량 손실(VML)이 유도된 실험용 생쥐(마우스) 모델에 주입 실험을 진행했다.
그 결과, 수화젤을 단독으로 주입한 그룹과 전기 자극을 병행한 그룹을 비교했을 때 수화젤만으로도 근육 조직의 재생과 기능 회복이 가능했고, 전기 자극을 병행한 경우 근육 수축력(일반 골격근 조직 대비 85.4 ± 13.5 %)과 조직 재생 효과(무게 회복 86.6 ± 4.4 %)가 더욱 뚜렷하게 향상된 것을 확인할 수 있었다.
▲사진 왼쪽부터 이재영 GIST 신소재공학과 교수, 허강무 충남대학교 유기재료공학과 교수, 박세현 GIST 신소재공학과 박사과정생 ⓒ GIST 제공
이재영 GIST 교수는 "이번에 개발한 주입형 전도성 수화젤은 근육 조직 재생을 넘어 심장, 말초신경, 뇌 등 다양한 전기 활성 조직의 재생에도 활용될 수 있다"면서 "기존 자가이식 치료법의 한계를 뛰어넘는 새로운 치료 패러다임이 될 것"이라고 전망했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 나노·소재기술개발사업의 지원을 받아 수행했으며, 연구 결과는 국제학술지 <케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)>에 지난 5월 15일 게재됐다.