이형석·조승우 교수(연세대) 공동 연구팀이 음파를 이용한 혈관질환 치료용 인공혈관 제작 기술을 개발했다. 치료용 인공혈관, 약물 테스트 플랫폼으로 활용이 기대된다.

한국연구재단은 관련 논문이 과학 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 12월 20일 게재됐다고 밝혔다.

혈관이 제 기능을 하지 못하고 산소‧영양분‧노폐물 등을 전달하지 못하면 심근경색, 말초혈관질환 등 심각한 질환을 초래한다. 최근에는 회복이 불가능한 생체혈관을 대체하기 위하여 줄기세포로 제작한 인공혈관 연구가 주목받고 있다.

그러나 불규칙적으로 형성되는 줄기세포는 실제 혈관처럼 특정 형상으로 배열되기 어려운 한계가 있다. 혈관 구조의 촘촘한 배열은 혈액이 새어나가지 않고 한 방향으로 흐르기 위해 필수적이다.

음파를 이용한 인공혈관 제작 과정. 세포가 혼합된 세포 지지체 용액을 장치에 주입하고, 음파를 인가하여 세포를 정렬한 다음, 지지체를 경화시킨 후 추출함으로써 인공혈관 조직을 제작할 수 있다.

연구팀은 음파를 이용해 실제 혈관의 3차원 구조를 정밀하게 모사한 인공혈관을 제작했다. 인간 혈관내피세포와 인간 지방유래 줄기세포를 하이드로젤 내에 혈관 형태로 배열했다. 음파를 가해주면 줄기세포가 정렬되면서 세포 간 접합과 상호작용이 향상되고, 혈관 형성을 유도하는 단백질이 왕성하게 분비됐다.

인공혈관 조직의 치료 효능. 세포가 정렬이 되지 않은 인공 조직이 실험용 쥐에 이식되면 쥐 혈관과 결합이 되지 않았지만, 세포가 정렬된 인공 조직이 이식되면 실험용 쥐의 혈관과 결합이 되었다. 세포가 정렬된 조직을 이식하면 정렬되지 않은 조직을 이식했을 때보다 다리의 손상이 현저히 감소했으며 혈류 공급이 빠르게 회복되었다.

개발한 음파 기반 삼차원 세포 정렬 장치는 인체 혈관 조직에서 혈관 세포들의 근접하게 자리 잡고 있는 구조적 특성을 모사해 인공 혈관의 안정성 및 빠른 조직 성숙을 유도할 수 있다. 구조적 배열 없이 무작위로 세포가 분포된 인공 혈관 조직체와 비교해, 개발된 음파 장치를 통해 정밀하게 정렬된 인공 혈관 조직체는 세포 간 접합 및 상호작용이 향상됐다.

혈관질환 동물모델에 인공혈관을 이식하자 혈류가 흐르지 않던 다리 조직이 더 빠르게 회복되는 효과도 입증했다. 기존 기술로는 인공혈관이 생체혈관과 통합되지 않았지만, 음파 장치를 통해 정렬된 인공혈관은 이식된 지 4주 만에 주변 혈관과 통합되어 혈류가 흐르기 때문에 빠른 회복이 가능했다.

이형석 교수는 “음파를 이용한 인공혈관 제작기술은 기존의 생체모사 기술보다 높은 공간 해상도로 생체조직을 체외에서 모사할 수 있다”라고 소개했다. 조승우 교수는 “이 기술을 이용하면 다양한 조직 및 장기를 환자에 이식하여 치료하거나 환자에 적합한 약물을 테스트하는 플랫폼으로 활용할 수 있다”라고 연구 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행됐다.

*논문명

High-resolution acoustophoretic 3D cell patterning to construct functional collateral cylindroids for ischemia therapy

*저자

이형석 교수(교신저자, 연세대), 조승우 교수(교신저자, 연세대), 강병준 박사과정(제1저자, 연세대), 신지수 박사(제1저자, 연세대)