DGIST·포스텍, 노화 과정 완벽 재현한 '3D 인공 근육' 모델 개발

근육 노화의 원인을 밝히고 치료 후보물질의 효능을 정확히 검증하려면 실제 사람 근육의 입체적 움직임을 완벽히 구현할수 있어야한다. 국내 연구팀이 사람 골격근 노화에 다른 변화를 확인할 수 있는 3차원 인공 미세조직을 만들었다.

대구경북과학기술원(DGIST·총장 이건우)은 김민석 뉴바이올로지학과 교수 연구팀이 조동우 포스텍 기계공학과 교수 연구팀과 공동으로, 사람 골격근의 노화에 따른 변화와 실제 근육 수축 기능 저하를 동시에 재현하고 평가할 수 있는 '생체모사 3차원 골격근 미세조직 모델'을 개발했다고 5일 밝혔다.

뼈에 붙어 신체를 움직이게 하는 골격근은 대사 조절에 핵심 역할을 한다. 하지만 기존 연구에서는 평면(2차원) 접시에 세포를 배양하는 방식으로는 실제 사람 근육의 입체적인 움직임과 수축 기능을 온전히 구현하기 어려웠다.

왼쪽부터 김민석 DGIST 교수, 양소혜 석박통합과정생, 조동우 포스텍 교수, 공정식 박사

연구팀은 17세와 68세 남성 기증자로부터 각각 확보한 실제 사람의 근육 세포를 활용해 이 문제를 해결했다. 근육 세포에 근육 조직의 뼈대 역할을 하는 생체 물질(탈세포화 세포외기질)을 섞은 뒤, 3D 프린팅으로 만든 미세한 틀 안에서 배양해 세포들이 실제 근육처럼 한 방향으로 가지런히 정렬된 3차원 인공 미세조직을 만들어냈다.

이렇게 제작된 3차원 근육 조직을 비교 분석한 결과, 노년 기증자의 세포로 만든 조직은 젊은 기증자의 조직보다 근육 섬유가 가늘고 세포 간 융합이 덜 이루어졌으며 염증 수치도 높게 나타났다. 특히, 에너지를 만드는 미토콘드리아의 기능이 떨어졌을 뿐만 아니라, 근육 수축을 유도하는 칼슘 반응이 느리고 실제 전기 자극을 주었을 때 발생하는 근력(수축력)마저 크게 떨어지는 등 사람의 실제 노화 과정이 3차원 조직 위에서 그대로 재현됐다.

사람 유래 3차원 골격근 모델의 개념도

이번 연구는 단순히 세포의 모양이나 유전자 변화를 관찰하는 것을 넘어, 근육의 형태적 분자적 변화부터 수축력까지 하나의 3차원 실험 플랫폼에서 한 번에 평가할 수 있게 되었다는 점에서 의미가 크다. 특히, 최근 미국 식품의약국(FDA)이 동물 실험을 거치지 않고도 의약품 허가를 신청할 수 있도록 제도를 개편(FDA Modernization Act 2.0)함에 따라, 사람의 생리적 특성을 정확히 반영하는 이번 인공 근육 모델이 향후 근감소증 치료제 개발 등에 유용하게 쓰일 전망이다.

특히 환자 본인의 유래 세포로 인공 근육을 제작할 수 있다는 점에서, 고령화 시대의 난제인 근감소증 정복은 물론 환자 개개인의 특성을 반영한 맞춤형 정밀 의료 시대를 앞당기는 핵심 기술이 될 것으로 기대된다.

김민석 교수는 “이번 연구는 사람 유래 세포를 이용해 노화 관련 변화를 생생하게 구현하고, 세포 수준의 변화와 실제 수축 기능을 함께 평가할 수 있는 기반을 마련했다는 데 큰 의미가 있다”며, “동물 실험을 대체할 사람 중심의 비임상 시험법에 대한 관심이 전 세계적으로 커지는 만큼, 향후 근육 노화의 원인을 밝히고 치료 후보물질의 효능을 정확히 검증하는 유용한 연구 도구로 발전시키겠다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 지원을 받아 수행됐으며, DGIST 뉴바이올로지학과 양소혜 석박사통합과정생과 포스텍 기계공학과 공정식 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 기술적·학술적 가치를 높게 평가받아 국제 학술지인 '스몰 사이언스(Small Science)'에 표지 논문으로 선정됐다.

대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com