조직공학 및 재생의학에서 근육 재생을 위한 근육 세포 구조체의 활성산소종 (reactive oxygen species, ROS)의 항상성 유지는 세포 생존, 성장 및 분화에 매우 중요한 요인이다. 하지만 기존 바이오잉크 및 바이오프린팅 공정으로 제작된 세포 함유 구조체는 낮은 산소 전달로 인해 세포 간 상호작용에 악영향을 미치고, 결국 줄기세포의 근육 형성과 관련된 다양한 신호전달 활성에 한계를 보인다. 또한, 세포의 지속적인 대사 활동에 의한 세포 구조체 내 산화 스트레스 유발과 활성산소종 축적으로 인해 결국 세포가 사멸하는 문제점이 있다.

바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 연구팀 (공동 1저자: 황보한준, 이형진)은 식품생명공학과 우한민 교수 연구팀 및 의과대학 분자세포생물학 교실의 류동렬 교수 연구팀과 함께 광합성을 통해 산소를 발생시키는 시아노박테리아 함유 바이오-잉크를 개발하고 in situ 전기장 자극 세포-프린팅 기술을 개발하여 이러한 문제점을 해결하고자 하였다. 본 기술에서 연구팀들은 줄기세포의 최적화된 생존과 성장 유도를 위해 바이오-잉크 내 산소 발생이 가능한 시아노박테리아의 농도, 광합성 유도를 위한 빛의 세기, 그리고 세포-프린팅 공정 중 세포의 배열 유도를 위한 전기장 조건과 같은 복합적인 공정 제어를 통해 근육 재생에 효과적인 인공 근육 구조체를 제작할 수 있었다. 이를 통해 제작한 3차원 근육 세포 구조체는 세포에 지속적인 산소 공급이 가능하여 ROS 항상성 유지가 가능하였으며, 전기장의 바이오리액터 효과로 인해 세포-프린팅 공정 중 바이오잉크에 포함된 줄기세포의 신호 전달 체계 및 이온채널이 활성화되어 근섬유 형성 효율이 효과적으로 향상하였으며, 한방향으로 배열된 실제 근육을 모사한 근육 세포 구조체 제작이 가능하였다.

김근형 교수는 “본 연구를 통해 개발한 새로운 바이오잉크와 전기장 융합 세포-프린팅 기술은 기존 바이오잉크와 바이오프린팅 기술이 극복하지 못한 고질적인 세포 구조체 내 산소 공급 문제를 해결할 수 있었으며, 줄기세포의 배열된 근섬유 형성 유도를 바탕으로 동물 모델의 손상된 근육 조직의 완벽한 재생과 기능 회복이 가능한 기술이다”라고 말했다.

또한, “근육 조직에 국한하지 않고 산소 공급과 배열 유도 등을 필요로 하는 다양한 조직 재생을 위한 효과적인 인공 장기 제작 시스템으로도 충분히 활용이 가능하다”라고 말했다.  

본 연구 성과는 및 한국연구재단-자연모사혁신기술개발사업 및 과학기술정보통신부의 산업기술혁신사업의 지원으로 수행되었으며, 재료과학응용 분야 국제학술지 어드벤스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced functional materials, Impact factor=19.924)에 게재되었다.

※논문명: Photosynthetic Cyanobacteria can Clearly Induce Efficient Muscle Tissue Regeneration of Bioprinted Cell-Constructs (https://doi.org/10.1002/adfm.202209157).

그림 1. 전기장을 활용한 배열된 인공 근육조직 제작 및 시아노박테리아에 의한 근육 세포 활성 관련 모식도와 제작한 인공 근육조직의 근육 형성 염색 사진