의과대학 정밀의학교실 김근형 교수 연구팀, 신개념 신경근접합부 생체-칩 개발

- 근육 조직과 혈관-스페로이드 동시 제작이 가능한 바이오프린팅 플랫폼 개발

- 바이오프린팅 인공근육 구조체의 혈관, 근육 형성 및 신경근접합부 형성 검증

▲(왼쪽부터) 의학과 김근형 교수, 김원진 박사후연구원, 김주연 연구원보

근육의 기능 상실과 관련된 질병, 특히 루게릭병, 근무력증, 근육이영양증 등 근신경계 질환은 대부분 신경근접합부(neuromuscular junction, NMJ*)의 기능에 장애를 보인다. 따라서 근신경계 질환 연구를 위한 체외 생체-칩 모델 제작 시 NMJ의 기능과 병리학·생리학적 특성에 대한 이해가 필요하다.

* NMJ: 신경세포 말단이 근섬유에 연결되어 근육의 운동을 조절할 수 있는 시냅스

인공근육 제작할 때에는 근육의 복잡한 3차원 구조와 생리학적 특성 모사가 중요하며 이를 위해 바이오프린팅 기술이나 하이드로겔의 자가조립 방법이 주로 활용되고 있지만 이는 세포의 기능과 상호작용, 큰 부피 구조체 제작 등에 한계가 있다.

이러한 문제점들을 해결하기 위해 의학과 김근형 교수 연구팀은 마이크로-플루이딕, 바이오프린팅 플랫폼을 개발하여 배열된 근육조직에 세포 간 상호작용을 향상할 수 있는 혈관-스페로이드가 포함된 인공근육 구조체를 제작하였다.

연구팀은 인공근육 구조체 바이오프린팅 시 전기장 자극을 가하여 dECM-MA* 바이오잉크에 포함된 세포의 배열을 유도하고, 세포막 이온 채널 등 생물학적 기능을 활성화하였다. 또한, 혈관-스페로이드를 통해 효과적인 혈관 및 근섬유 형성이 가능했다. 연구팀은 NMJ 생체-칩 모델을 통해 제작한 인공근육이 주변 신경세포의 축삭(axon) 유입과 NMJ 형성을 효과적으로 유도할 수 있음을 확인하였다.

* dECM-MA: 자외선(UV) 노출로 경화가 가능한 광경화성 탈세포화 세포외기질

연구팀은 또한, GelMA* 및 콜라겐 두 종류 바이오잉크의 유변학적 특성 차이를 이용해 구슬이 바늘에 꿰인 형태인 ‘rosary shaped structure’ 신경-스페로이드가 포함된 인공근육을 제작하였다. 또한, 신경-스페로이드는 높은 생물학적 기능을 바탕으로 신경섬유와 근섬유뿐 아니라 NMJ 형성을 효과적으로 유도하였다.

* GelMA: UV 노출을 통해 경화가 가능한 광경화성 젤라틴

김근형 교수는 “새로운 마이크로-플루이딕, 바이오프린팅 플랫폼 개발을 통한 세포-스페로이드가 포함된 인공근육 제작 결과 보여주며, 향상된 세포 간 상호작용을 통해 근섬유 형성과 혈관 및 NMJ 형성을 효과적으로 유도할 수 있는 NMJ 생체-칩 모델을 제시한다. 향후 본 연구에서 제작한 인공근육은 근신경계 질환과 이의 치료에 관한 다양한 연구에 적용가능할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원 바이오산업핵심기술개발사업과 질병관리청 사업의 지원으로 수행되었으며, 응용화학공학 분야 국제 학술지인 Chemical Engineering Journal(IF: 15.1)*과 응용물리학 분야 국제 학술지인 Applied Physics Reviews(IF: 19.5)에 7월 23일과 8월 14일에 각각 게재되었다.

* 논문명: Formation of various cell-aggregated structures in the core of hydrogel filament using a microfluidic device and its application as an in vitro neuromuscular junction model (2023. 7. 23.).

** 논문명: Bioprinting 3D muscle tissue supplemented with endothelial-spheroids for neuromuscular junction model (2023. 8. 14.).