조직공학에 적용되는 생물학적 재료

조직공학은 생체재료와 세포를 사용하여 신체가 스스로 치유하는 것을 돕는 개념으로 시작되었다. 기술이 발전함에 따라, 조직공학의 목표는 이식 부위에서 조직 전구체(tissue progenitors)의 기능을 향상할 수 있는 적합한 미세환경을 부여하여 최적화된 신생 조직이 형성될 수 있는 기술로 발전하였다. 궁극적으로는 원하는 조직 또는 장기의 개발을 목표로 하며, 현재 다양한 기술들이 적용되고 있다. 

 

1) 줄기세포(Stem cell)

줄기세포란 증식 및 다중 분화능을 가진 세포로써 이를 통해 조직을 재생하고자 하는 재생의학(regenerative medicine) 분야가 조직공학과 함께 활발히 연구개발되고 있으며 일부는 임상적용되고 있다. 줄기세포는 크게 배아줄기세포(embryonic stem cell), 역분화줄기세포(induced pluripotent stem cell) 그리고 성체줄기세포(adult stem cell)로 분류된다. 이 중 전분화능(pluripotency)을 가진 배아줄기세포는 윤리적인 문제, 면역거부반응, 암의 발생 가능성이 있고 성체 세포를 미분화 세포로 만든 전분화능 역분화줄기세포는 환자 유래 세포를 사용하여 면역거부의 가능성은 낮지만 역분화를 위해 바이러스를 이용하는 등 생체안전성 문제가 검증되지 않아 임상적용을 위해서는 많은 시간이 소요될 것으로 보인다. 

이와는 달리 분화의 방향성이 거의 정해져 있고 안전한, 다능성(multipotent) 성체줄기세포를 적용한 조직재생 또는 세포치료제 연구개발이 활발히 진행되고 있으며, 이미 2011년부터 생체줄기세포인 골수유래 중간엽줄기 세포(bone marrow-derived mesencymal stem cell), 지방유래 중간엽줄기세포(adipose-derived mesenchymal stemcell) 등의 성체줄기세포가 일부 임상에 적용되고 있다.

간엽줄기세포는 골수나 기타 결체조직에서 유래하는 생체줄리세포로서 조직세포(osteoblast), 연골(chondrocyte), 지방(adipocyte)으로 분화되는 것으로 알려져 있다. 간엽줄기세포를 이용하여 골을 재생하는 가장 쉬운 방법은 골수를 바로 이식하는 것이다. 하지만 그 조성이 일정하지 않고 세포의 수가 불충분한 문제가 있어서 소량의 골수에서 세포를 배양, 증식시켜 지지체에 이식하는 조직공학적 방법으로 뼈나 연골 등의 조직을 재생할 수 있다. 실제 임상환경과의 유관성을 높인 대동물에서 체중 부하하는 모델을 이용하여 실험한 결과 중간엽줄기세포를 함유하는 세라믹 지지체가 지지체만을 이식하였을 경우보다 골 형성을 더 많이 하였음이 보고되었다. 또한 분해속도가 느린 인산계 세라믹은 흡수가 일어나지 않는 반면 분해속도가 빠른 자연 산호 지지체(natural corraline scaffold)를 이용한 경우 완전한 지지체의 흡수와 함께 골수강의 형성도 관찰되었다.

 

2) 생체활성인장(Bioactive factor)

지난 10년 동안 조직공학 분야에서는 분자 생물학적인 생체소재 즉 사이토카인(cytokine), 재조합 단백질(recombinant protein), 재조합 펩타이드(recombinant peptide), 성장인자(growth factor)와 같은 생체활성인자에 대한 활용에 대한 많은 연구가 진행되었다. 이러한 연구를 통해 성장인자 중에서 다수는 유전자 재조합기술, 세포배양기술, 바이오공정기술을 바탕으로 대량생산이 가능해졌으며 조직재생의 목적으로 활용되고 있다. 생체활성인자는 우리 몸의 환경을 조절할 수 있는 중요한 인자로, 체내에 존재하는 줄기세포나 전구세포를 활성화시켜 보다 효과적으로 재생을 필요로 하는 조직으로 세포를 유도하고 증식, 분화시켜 원하는 조직으로 세포를 유도하고 증식, 분화시켜 원하는 조직으로 재생하도록 유도한다. 

성공적인 조직 재생을 위해서는 세포의 활동에 유리한 생리활성적 미세환경(bioactive microenvironment)을 제공하는 것이 중요하며, 이러한 미세환경의 조성을 위해서는 생체활성인자의 역할이 매우 크다고 하겠다. 실제로, 우리 몸속에 있는 줄기세포의 수는 매우 한정되어 있고, 효과적인 조직재생을 의해서는 체내에 존재하는 줄기세포를 필요한 방향으로 유도하는 것이 필요하다. 또한 생체활성인자는 체내에 존재하는 줄기세포나 전구세포의 이동, 증식, 분화, 귀소성을 조절하여 구조적, 기능적인 정상조직을 재생하는데 도움을 준다. 예를 들어, 인공 골은 혈관연결이 없는 상태로 이식되므로 인공 골의 생존여부는 혈관이 자라 들어올 때까지 주위조직에서의 확산에 의한 영양분의 공급과 노폐물의 제거가 원활하게 이루어지는 지에 달려있다. 저산소환경(hypoxia) 하에서는 간엽줄기세포가 대거 괴사 되며 인공 골의 생존여부는 오로지 산소와 다른 영양분이 주위 혈관에서 원활히 공급되는지에 달려있으므로 지지체에 혈관 내피성장인자(vascular endothelial growth factor, VEGF)와 같은 혈관형성의 촉진인자를 포함시켜 빠른 신생혈관을 유도할 수 있을 것이다. 조직공학에서 주로 사용되는 생체성장인자로 조직공학용 지지체와 함께 이식되어 주변 조직에 전달되어 직접적으로 생체 내에서의 여러 가지 반응을 조절하게 된다.