△ 신개념 의료기기 기술이 잇따라 개발되고 있다.

국내에서 차세대 의료기기 기술을 잇따라 개발해 상용화 기대감을 높이고 있다.

3일 의료계 등에 따르면 국내 연구진이 섬유형 인공혈관, 요산 모니터링 시스템, 골재생 스캐폴드 등을 개발하는데 성공했다.

순천향대학교 의과대학 재생의학교실 이병택 교수팀은 최근 순천향대 천안병원 외과 배상호 교수팀과 함께 돼지 심장에서 추출한 탈세포화 세포외기질(cECM)과 생분해성 고분자, 줄기세포, 바이오리액터 기술을 융합해 코어–쉘(core–shell) 구조의 섬유형 인공혈관을 제작했다.

연구팀이 개발 인공 혈관은 이식 전 인공혈관 내부에 혈관내피세포와 유사한 층을 형성해 혈전 발생을 줄이고 혈관조직의 재생을 유도하는 방식이다.

직경 3㎜ 미만의 소구경 합성 인공혈관은 혈전 형성과 불완전한 내피화, 내막 비후 등으로 장기간 개통 상태를 유지하기 어려워 임상 적용에 한계가 있었다. 

연구팀은 이를 해결하기 위해 기계적 안정성을 제공하는 생분해성 고분자 PCL을 인공혈관의 중심부에 배치하고 세포 부착과 조직재생을 돕는 심장 유래 세포외기질을 외부층에 적용했다.

자체 제작한 관류형 바이오리액터에서 골수 유래 중간엽줄기세포를 실제 혈류와 유사한 환경으로 2주간 배양한 결과 인공혈관 내강의 약 97%가 세포로 피복됐다. 

혈관내피 관련 지표와 혈관신생 유전자, 신호전달 경로도 활성화돼 혈관내피 특성을 갖는 세포층이 형성된 것으로 확인됐다.

사전 내피화한 인공혈관을 쥐의 복부대동맥에 이식한 실험에서는 1개월 동안 100%의 개통률을 유지했다. 

인공혈관 내부에서는 97% 이상의 혈관내피 피복과 혈관 기능에 관여하는 eNOS의 발현이 확인됐으며 혈관벽에서는 평활근세포층이 연속적으로 형성됐다. 염증 반응을 일으키는 M1 대식세포는 감소하고 조직재생과 관련된 M2 대식세포는 증가하는 경향도 나타났다.

연구팀은 장기 이식시험과 대동물 연구를 통해 안전성과 유효성을 검증하고 심장병 환아의 폰탄수술이나 혈액투석용 혈관 접근로 등 계획된 수술에 적용할 수 있는 재생형 소구경 인공혈관으로 발전시킨다는 계획이다.

아주대 의대 약리학교실 조성권 교수팀은 최근 연세대 신소재공학과 박장웅 교수팀과 함께 스마트 콘택트렌즈와 디지털 트윈 기술을 융합한 차세대 비침습 맞춤형 요산 모니터링 시스템을 개발했다.

요산(Uric Acid)은 퓨린 대사의 최종 분해 산물로 체내에 과도하게 축적돼 고요산혈증(혈중 요산 농도 6.8㎎/㎗ 이상)이 지속되면 극심한 통증과 염증을 유발하는 통풍(Gout)을 비롯해 만성 신부전, 당뇨병, 심혈관 질환 등 합병증 위험이 증가한다.

특히 최근 식습관 변화 등으로 20~30대 젊은 층에서 무증상 고요산혈증이 증가하고 있으나 실제 통풍 발작이 발생하기 전까지는 위험성을 인지하기 어렵다.

무증상 고요산혈증과 통풍의 효과적인 관리 및 발작 예방을 위해서는 지속적인 요산 수치 모니터링이 필요하지만 기존 채혈 방식은 통증과 감염 위험, 번거로움으로 인해 일상적인 연속 관리에 한계가 있었다.

연구팀은 배터리가 필요 없는 무선 스마트 콘택트렌즈를 개발해 눈물 속 요산을 실시간 측정하고 스마트폰으로 전송하도록 했다.

토끼 모델과 건강한 사람 및 통풍 환자를 대상으로 한 연구에서 눈물 요산 농도가 혈중 요산 농도와 강한 상관관계를 보여 비침습적으로 혈중 요산 수치를 추정할 수 있음을 확인했다.

또 혈중 요산과 눈물 요산 변화 사이에 개인별 '시차(lag time)'가 존재하며 통풍 환자에서 이 시차가 더 짧게 나타나 질병 관련 바이오마커로 활용될 가능성을 확인했다.

연구팀은 시차, 개인 내 변동성, 증가 속도, 곡선하 면적(AUC) 등 연속 모니터링에서 얻은 지표를 기계학습 모델에 통합해 건강한 사람과 통풍 환자, 치료 중인 환자를 구분하는 데 활용할 수 있는 '디지털 바이오마커'로서의 가능성을 확인했다.

나아가 개인별 데이터를 학습한 AI 모델인 '디지털 트윈(Digital Twin)'을 구축해 렌즈를 착용하지 않은 일상에서도 식이·운동 정보만으로 하루 동안의 요산 변동을 재구성해 실제 측정값과 거의 일치하는 결과를 보였다.

연구팀은 연속혈당측정(CGM)이 가져온 변화와 유사한 혁신적인 전환을 기대했다.

차 의과학대학교 분당차병원 정형외과 이순철 교수팀은 최근 줄기세포를 손상 부위로 유도하고 뼈 형성을 촉진하는 기능을 하나의 생체소재에 담은 차세대 골재생 스캐폴드를 개발했다.

연구팀은 뼈 재생에 필요한 칼슘을 공급하는 동시에 줄기세포의 골분화를 촉진할 수 있는 소재로 칼슘과 젖산을 함께 방출하는 '젖산칼슘(Calcium lactate)'에 주목했다.

젖산칼슘은 분해과정에서 칼슘과 젖산을 함께 방출하는데, 칼슘은 새로운 뼈를 만드는 데 필요한 무기질을 공급하고 젖산은 줄기세포가 뼈세포로 성장하도록 돕는 역할을 한다.

연구팀은 식물 유래 성분인 셀룰로오스와 생체적합성 고분자를 기반으로 한 스캐폴드에 젖산칼슘을 적용해 새로운 골재생 소재를 개발했다.

연구팀은 또 줄기세포를 손상 부위로 유도하는 단백질인 'SDF-1'을 스캐폴드 표면에 결합해 손상 초기 줄기세포가 모일 수 있는 환경을 조성했다.

스캐폴드 내부에서 칼슘과 젖산이 서서히 방출되면서 줄기세포의 골분화를 유도하고 새로운 뼈 형성을 촉진하도록 설계한 것이 이번 기술의 특징이다.

특히 이번 연구에서는 젖산이 단순한 대사 부산물이 아니라 뼈 재생을 유도하는 중요한 신호물질이라는 사실을 확인한 것에 큰 의미가 있다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 젖산이 세포 표면의 OR5AN1 수용체를 활성화해 줄기세포가 뼈세포로 분화하는 과정을 촉진한다는 새로운 기전을 규명했다. 이는 골재생 연구에서 젖산의 새로운 역할을 제시한 의미 있는 성과다.

동물모델 실험에서도 새로 개발한 스캐폴드를 적용한 그룹은 기존 소재보다 새로운 뼈가 더 많이 생성됐고 골조직의 성숙도 역시 우수한 것으로 확인됐다.

연구팀은 골절, 골결손, 인공관절 수술 후 골재생 등 다양한 정형외과 치료에 활용될 수 있을 것으로 기대했다.

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