근육이나 신경 손상 초기에 빠른 재생을 돕는 새로운 조직 보형물 소재가 개발됐다.
기초과학연구원(IBS) 뇌과학 이미징 연구단의 신미경 성균관대 교수와 손동희 성균관대 교수 연구팀은 손상된 조직의 기능을 대체하는 주사 주입형 바이오 신소재를 개발했다. 더 나아가 이 소재를 기반으로 근육과 신경이 심하게 손상돼 걷지 못하던 동물모델에 적용해 빠른 조직 재생 및 재활 효과를 확인했다.
기존 기술은 작은 손상 조직 이식 어려워…주사로 국소 부위 치료 가능
심각한 근육 손상 초기에 적절한 치료를 받지 못하면 만성적으로 근육이 기능적으로 결손되고 이로 인한 장애가 나타날 수 있다. 근력 감소로 인한 환자 삶의 질 저하를 막으려면 근육의 정상적 회복을 촉진하는 동시에 움직임의 즉각적 회복을 돕는 재활 치료가 필요하다.
손상된 신경·근육 회복에는 보행 보조 로봇 등 웨어러블 장치와 체내 이식형 소자가 통합된 ‘폐회로 보행 재활 기술’ 등이 각광받고 있다. 하지만 체외 장치와 체내 조직을 연결하기 위한 소자들의 크기가 커서 복잡하고 작은 손상된 조직 영역에 이식하기 어려웠다.
또한 딱딱한 소자가 부드러운 조직에 지속적인 마찰을 일으켜 염증이 유발된다는 것도 문제였다. 기존 기술로는 단시간에 환자의 보행 재활을 기대하기는 어려웠던 셈이다.
이러한 한계를 극복하기 위해 연구진은 생체조직처럼 부드러우면서도 조직에 잘 접착되고, 전기 저항이 작아 근육과 신경의 전기 신호를 잘 전달할 수 있는 새로운 소재 개발에 착수했다.
개발 과정을 살펴보면 우선 피부 미용용 필러로 쓰이는 히알루로산 소재를 기반으로 조직처럼 부드러운 하이드로젤 소재를 만들었다. 여기에 금 나노입자를 투입해 전기 저항을 낮췄다. 이후 분자들이 자유롭게 재배열하게 제조해 기계적 안정성을 높이고, 필러처럼 주사로 국소적 손상 부위에 주입할 수 있도록 했다.
연구진은 손상된 근육과 신경에 제작한 보형물을 주사로 주입했을 때 좁고 거친 손상 조직 표면에 보형물이 밀착 접촉됨을 확인했다. 나아가 보형물은 조직 손상 부위를 채워 건강한 조직에서 발생하는 전기생리학적 신호를 성공적으로 전달했다. 보형물 자체를 전극으로 사용해 조직에 전기 자극을 가하거나, 조직으로부터 발생하는 신호를 계측할 수 있음을 확인한 것이다.
동물 실험 결과 근육 재생·재활 효과도…”향후 장기 조직 재생도 가능할 것”
이어 연구진은 동물실험을 통해 빠른 근육 재생 및 재활 효과도 확인했다. 경골전방근육이 심하게 손상된 설치류 모델의 조직 손상 부위에 제작한 보형물을 주사하고, 말초신경에 전기 자극을 가할 수 있도록 인터페이싱 소자를 이식하는 방식이었다.
동물실험 결과 전도성 하이드로젤을 조직 손상 부위에 채우는 것만으로도 조직 재생이 개선된 것으로 나타났다. 신경 전기 자극을 주었을 때 발생하는 근전도 신호를 계측해 보행 보조 로봇을 작동시켰을 때도 소동물의 보행을 성공적으로 보조할 수 있었다.
아울러 신경 자극을 따로 주지 않아도 전도성 하이드로젤의 조직 간 신호 전달 효과를 이용하면 로봇 보조를 통한 소동물의 보행 재활 훈련이 가능하다는 점도 확인됐다. 조직이 손상되어 잘 걷지 못하던 실험 쥐는 3일 만에 로봇 보조를 통한 정상적 보행이 가능해졌다.
신미경 교수는 “신경근 회복을 위해 재활 훈련이 요구되는 심각한 근육 손상에 손쉽게 적용할 수 있는 주사 가능한 전기 전도성 연조직 보형물을 구현했다”며 “근육과 말초신경 뿐만 아니라 뇌, 심장 등 다양한 장기에 적용할 수 있는 조직 재생용 신물질로 활용 가능할 것”이라고 강조했다.
손동희 교수는 “우리 연구진이 제시한 새로운 바이오 전자소자 플랫폼은 재활 치료가 어려운 신경근계 환자들의 재활 여건을 크게 개선할 수 있을 것”이라며 “전기생리학적 신호 계측 및 자극 성능을 활용하면 향후 인체 내 다양한 장기의 정밀 진단 및 치료까지 확대될 수 있다”고 말했다.
연구진은 다양한 손상 조직에 전도성 하이드로젤을 주사하여 회복 가능성을 확인하는 한편, 임상 수준에서 최소침습적인 재활 시술로 이어지기 위한 후속 연구를 진행 중이다. 연구 결과는 2일 새벽 1시(한국시간) 세계 최고 권위의 국제학술지 ‘네이처(Nature)’ 온라인판에 실렸다.
