하이드로겔(Hydrogel) (5) "실험실에서 조직과 장기 배양용으로 사용"

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-09-25 20:12:35
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* 세포를 촉촉하게 유지할 수 있고 동시에 견고함 때문에 모양을 주는 장점
* 특수 3D 프린터로 어떤 모양으로든 성형한 다음 경화할 수 있어
* 연골 세포의 성장 촉진, 관절 염증 완화하는 활성 성분도 하이드로겔에 포함될 수 있다.
* 실험실 장기 배양은 아직 초기 단계에 있지만 하이드로겔이 이 분야에서 핵심적인 역할

장기 배양을 위한 하이드로겔
성장하는 세포에 대한 지원 및 공급


의료용 하이드로겔의 또 다른 응용 분야는 점점 조직 공학이 되고 있다.
즉, 실험실에서 조직과 장기를 배양하는 것이다. 많은 의사는 그러한 "시험관" 장기가 언젠가는 아프고 파괴된 장기를 대체하고 이식을 더 견디기 쉽게 만들 수 있기를 바라고 있다. 이미 희소한 기증 장기와 달리 이러한 실험실 배양은 환자의 세포에서 발생할 수 있어 거부 반응을 방지할 수 있다. 

▲ 나노 셀룰로오스를 기반으로 하는 하이드로겔은 귓바퀴를 위한 연골 조직의 배양을 위한 프레임워크를 형성한다. © Empa

새로운 장기 성장 템플릿

개별 세포의 첫 번째 조직이 오랜 시간 동안 실험실에서 생산됐지만 전체 장기를 배양하는 것은 훨씬 더 어려운 일이다. 여기에서 서로 다른 세포, 혈관, 신경 및 땀샘의 복잡한 구조가 3차원 구조에서 기관의 구조와 일치해야 하기 때문이다. 올바른 모양을 얻기 위해 세포가 스캐폴딩에서 자라며, 최근에는 3D 프린터도 사용된다.

하이드로겔은 이 장기 배양을 위한 프레임 워크로 특히 적합하다.
물을 결합하고 영양분을 공급하는 능력으로 세포를 촉촉하게 유지할 수 있고 동시에 견고함 때문에 모양을 주기 때문이다. 이에 대한 한 가지 가능성은 나무로 만든 고분자인 나노 셀룰로오스를 기반으로 하는 하이드로겔이다. 특수 3D 프린터로 어떤 모양으로든 성형한 다음 경화할 수 있다.

이 기본 구조는 생체의학 임플란트를 생산하기 위해 신체의 자체 세포와 활성 성분으로 장착될 수 있다. 예를 들어 연골 세포가 프레임 워크에 통합되면 연골 질환이나 연골 기형이 있는 사람들을 위해 임플란트를 만들 수 있다(예: 선천적 귀 기형 또는 관절 손상의 경우).

"연골 세포의 성장을 촉진하거나 관절 염증을 완화하는 활성 성분도 하이드로겔에 포함될 수 있다"고 연방 재료 시험 및 연구소 Empa의 미샤엘 하우스만(Michael Hausmann)이 설명했다.

3D 프린터로 만든 심장

다른 과학자들은 젤라틴이나 콜라겐으로 만든 하이드로겔을 사용하여 예를 들어 실험실에서 난소, 피부 또는 심장 방을 성장시킨다. 이러한 하이드로겔과 유도 줄기세포의 도움으로 Tel Aviv 대학의 탈 드비르(Tal Dvir)가 이끄는 팀은 2019년에 페트리 접시에 온전한 심장을 만드는 데까지 성공했다. Dvir는 "세포 조직, 혈관, 심실을 포함한 완전한 심장이 인쇄된 것은 이번이 처음"이라고 설명한다. "현재 우리의 3D 심장은 토끼 심장 크기 정도로 여전히 작다."

그러나 동일한 기술을 사용해 더 큰 심장을 생산할 수도 있다.
그들의 접근 방식이 특별한 점은 지지하는 하이드로겔과 그 위에서 자라는 세포는 모두 사람의 생물학적 물질에서 나왔다. 이를 위해 연구자들은 기증자의 복부에서 지방 조직을 제거했니다. 이로부터 얻은 세포를 재프로그래밍하여 미분화 줄기세포 상태로 회복시켰고, 콜라겐과 세포외 기질의 당단백질이 하이드로겔의 기초를 형성했다. 미래에는 이러한 장기가 수혜자의 신체 재료로 만들어지고 따라서 완벽하게 호환되는 것을 보장할 수 있다.
▲ 심장 세포와 하이드로겔은 기증자 조직에서 만들어지며 펌프 기관에 "프린트"될 수 있다. © 2019 Dvir et al./ Advanced Science / Wiley

"금형"으로서의 하이드로겔

Dvir와 그의 팀의 심장은 기능적으로 완전한 대체 기관이 아니지만, 피츠버그에 있는 Carnegie Mellon 대학의 앤드류 리(Andrew Lee)가 이끄는 팀은 이미 한 걸음 더 나아갔다. 3D 프린팅으로 하이드로겔을 생성했다. 이 성공의 핵심은 기관의 미세 구조를 정확하게 재현하는 능력이었다.

이것은 하이드로겔의 특별한 사용으로 가능했다.
점성 덩어리는 콜라겐과 심장 근육 줄기세포의 용액이 3D 프린팅을 사용하여 채워지는 일종의 주형을 형성한다. 하이드로겔 지지 구조는 콜라겐이 경화될 때까지 모양을 잃지 않도록 하고 모공과 충치의 자리 표시자 역할도 한다. 콜라겐이 굳으면 블록 전체가 37도까지 가열되어 하이드로겔이 액체가 되어 흘러내린다. 남은 것은 완성된 장기 구조로, 현재는 영양 용액에서 재배되고 있다.

연구원들은 "4일 후 심실이 눈에 띄게 수축하기 시작했고 7일 후에 동시에 박동했다"고 보고했다. 더 자세한 분석은 세포가 상호 연결된 근육 세포의 조밀한 층을 형성하고 펌프하는 동안뿐만 아니라 수축하는 동안 심장의 심실을 늘리고 수축하는 것으로 나타났다.

실험실에서의 장기 배양은 아직 초기 단계에 있지만 하이드로겔이 이 분야에서 핵심적인 역할을 한다는 것은 이미 분명하다. 하이드로겔 없이는 해부학적으로 올바르게 형성되고 기능적인 조직 및 장기의 배양을 거의 상상할 수 없다. (끝)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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