사고나 외상으로 발생하는 외상성 뇌손상을 수술 없이 치료할 수 있는 비침습적 줄기세포 전달 기술이 개발됐다.
외상성 뇌손상은 갑작스러운 충격으로 신경세포가 손상되거나 사멸해 인지 기능과 운동 기능 저하를 유발하는 중증 질환이다. 현재까지 손상된 뇌 기능을 근본적으로 회복할 수 있는 치료법은 제한적이며, 줄기세포를 뇌에 직접 주입하는 기존 치료 방식은 침습적인 수술이 필요하고 세포 생존율이 낮다는 한계가 있었다.
한림대학교춘천성심병원 이비인후과 박찬흠 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 코 안쪽 점막을 통해 약물이나 세포를 뇌로 직접 전달할 수 있는 ‘비강 전달 경로’에 주목했다. 연구팀은 바이오리액터(생물반응기) 시스템을 활용해 줄기세포를 대량으로 배양한 뒤, 이를 고기능성 집합체인 신경구 형태로 제조했다.
이렇게 만들어진 신경구는 실크 단백질(피브로인) 등이 포함된 특수 하이드로젤에 담겨 비강으로 주입한다. 핵심 기술인 ‘하이드로젤 캡슐화’는 줄기세포를 감싸 보호함으로써 체내 생존율을 높였으며 신경구에서 분비되는 다양한 치료 유효 인자(세포 분비 물질)가 뇌 손상 부위로 전달될 수 있도록 하여 치료 효과를 극대화한다.
연구팀은 실제 사고 상황과 유사한 외상성 뇌손상을 입은 동물 실험을 통해 줄기세포 신경구 치료 효과를 확인했다. 실험 결과, 치료를 받은 그룹은 단 3일 만에 뇌 기능 회복이 시작됐으며, 1주 뒤에는 치료받지 않은 그룹보다 2배 이상 빠른 회복 속도를 보였다.
특히 기억과 학습을 담당하는 뇌의 핵심 부위에서 손상으로 줄어들었던 회복 관련 물질이 정상 수준에 가깝게 되살아났다. 그 결과 죽어가던 뇌세포가 다시 살아나고 새로운 신경세포가 유지되면서 뇌 조직이 회복됐다.
또한 뇌 손상 이후 쌓이던 독성 물질과 스트레스 요인이 치료군에서 크게 줄어들어 손상된 뇌 환경이 정화되는 효과도 있었다. 이와 함께 뇌세포 간 연결 구조 역시 안정적으로 유지돼 사고로 끊어질 수 있었던 뇌 신경망이 보호된 것으로 나타났다.
연구팀은 이번 결과가 단순히 손상을 늦추는 수준을 넘어 손상된 뇌가 스스로 회복할 수 있는 환경을 만들어주는 치료 가능성을 보여준다고 설명했다.
더 나아가 연구팀은 줄기세포를 자동으로 대량 배양할 수 있는 ‘바이오리액터’ 시스템을 이용해 ‘마스터 세포 은행(Master Cell Bank)’을 구축하는 데 성공했다. 아울러 저장된 줄기세포들이 세포 고유의 성질과 분화 능력을 그대로 유지하고 있다는 사실도 확인했다. 줄기세포 치료가 단순한 연구실 실험에 그치지 않고, 실제 임상 현장에 적용되기 위해 필수적인 ‘제품 표준화’와 ‘대량 생산 가능성’을 동시에 보여줬다는 게 연구팀의 설명이다.
박찬흠 교수는 “위험한 뇌 수술 없이 비강을 통해 줄기세포를 전달하는 이번 기술은 환자의 안전성과 치료 효과를 동시에 확보할 수 있는 혁신적인 방법”이라며 “외상성 뇌손상뿐만 아니라 파킨슨병, 알츠하이머 등 다양한 난치성 뇌 질환 치료 영역으로 확장해 나가겠다”고 말했다. 이어서 “이번 연구는 병원에서 사용할 수 있는 고품질 줄기세포 치료제를 안정적으로 공급할 수 있는 상용화 기반을 마련했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘에이피엘 바이오엔지니어링(APL Bioengineering)’에 최근 게재됐다.
외상성 뇌손상은 갑작스러운 충격으로 신경세포가 손상되거나 사멸해 인지 기능과 운동 기능 저하를 유발하는 중증 질환이다. 현재까지 손상된 뇌 기능을 근본적으로 회복할 수 있는 치료법은 제한적이며, 줄기세포를 뇌에 직접 주입하는 기존 치료 방식은 침습적인 수술이 필요하고 세포 생존율이 낮다는 한계가 있었다.
한림대학교춘천성심병원 이비인후과 박찬흠 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 코 안쪽 점막을 통해 약물이나 세포를 뇌로 직접 전달할 수 있는 ‘비강 전달 경로’에 주목했다. 연구팀은 바이오리액터(생물반응기) 시스템을 활용해 줄기세포를 대량으로 배양한 뒤, 이를 고기능성 집합체인 신경구 형태로 제조했다.
이렇게 만들어진 신경구는 실크 단백질(피브로인) 등이 포함된 특수 하이드로젤에 담겨 비강으로 주입한다. 핵심 기술인 ‘하이드로젤 캡슐화’는 줄기세포를 감싸 보호함으로써 체내 생존율을 높였으며 신경구에서 분비되는 다양한 치료 유효 인자(세포 분비 물질)가 뇌 손상 부위로 전달될 수 있도록 하여 치료 효과를 극대화한다.
연구팀은 실제 사고 상황과 유사한 외상성 뇌손상을 입은 동물 실험을 통해 줄기세포 신경구 치료 효과를 확인했다. 실험 결과, 치료를 받은 그룹은 단 3일 만에 뇌 기능 회복이 시작됐으며, 1주 뒤에는 치료받지 않은 그룹보다 2배 이상 빠른 회복 속도를 보였다.
특히 기억과 학습을 담당하는 뇌의 핵심 부위에서 손상으로 줄어들었던 회복 관련 물질이 정상 수준에 가깝게 되살아났다. 그 결과 죽어가던 뇌세포가 다시 살아나고 새로운 신경세포가 유지되면서 뇌 조직이 회복됐다.
또한 뇌 손상 이후 쌓이던 독성 물질과 스트레스 요인이 치료군에서 크게 줄어들어 손상된 뇌 환경이 정화되는 효과도 있었다. 이와 함께 뇌세포 간 연결 구조 역시 안정적으로 유지돼 사고로 끊어질 수 있었던 뇌 신경망이 보호된 것으로 나타났다.
연구팀은 이번 결과가 단순히 손상을 늦추는 수준을 넘어 손상된 뇌가 스스로 회복할 수 있는 환경을 만들어주는 치료 가능성을 보여준다고 설명했다.
더 나아가 연구팀은 줄기세포를 자동으로 대량 배양할 수 있는 ‘바이오리액터’ 시스템을 이용해 ‘마스터 세포 은행(Master Cell Bank)’을 구축하는 데 성공했다. 아울러 저장된 줄기세포들이 세포 고유의 성질과 분화 능력을 그대로 유지하고 있다는 사실도 확인했다. 줄기세포 치료가 단순한 연구실 실험에 그치지 않고, 실제 임상 현장에 적용되기 위해 필수적인 ‘제품 표준화’와 ‘대량 생산 가능성’을 동시에 보여줬다는 게 연구팀의 설명이다.
박찬흠 교수는 “위험한 뇌 수술 없이 비강을 통해 줄기세포를 전달하는 이번 기술은 환자의 안전성과 치료 효과를 동시에 확보할 수 있는 혁신적인 방법”이라며 “외상성 뇌손상뿐만 아니라 파킨슨병, 알츠하이머 등 다양한 난치성 뇌 질환 치료 영역으로 확장해 나가겠다”고 말했다. 이어서 “이번 연구는 병원에서 사용할 수 있는 고품질 줄기세포 치료제를 안정적으로 공급할 수 있는 상용화 기반을 마련했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘에이피엘 바이오엔지니어링(APL Bioengineering)’에 최근 게재됐다.
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