사람 근육 노화, 실험실서 재현…수축력 저하까지 확인[과학을읽다]

DGIST·포스텍, 사람 세포로 3D 근육 미세조직 개발
17세·68세 기증자 세포 비교…근감소증 치료제 연구 활용 기대

사람의 근육이 나이가 들면서 가늘어지고 힘이 약해지는 과정을 실험실에서 재현하는 기술이 개발됐다. 실제 사람의 근육세포로 3차원(3D) 조직을 만들어 노화에 따른 세포 변화뿐 아니라 근육의 수축력 저하까지 확인한 것이다. 동물실험에 의존하지 않고 사람의 근육 노화를 연구하거나 근감소증 치료 후보물질을 평가하는 데 활용될 것으로 기대된다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 김민석 뉴바이올로지학과 교수 연구팀이 조동우 포항공과대학교(포스텍) 기계공학과 교수 연구팀과 공동으로 사람의 근육 노화 현상을 재현하는 '3D 생체모사 골격근 미세조직 모델'을 개발했다고 5일 밝혔다.

17세와 68세 기증자의 근육세포를 돼지 골격근 유래 생체 물질과 결합해 3차원 근육 미세조직을 제작한 과정. 이를 통해 근육의 구조와 미토콘드리아 기능, 칼슘 반응 및 수축력을 비교한 결과, 노년 유래 조직에서 근섬유가 가늘어지고 수축력이 감소하는 등 노화 관련 변화가 확인됐다. 연구팀 제공

골격근은 뼈에 붙어 신체 움직임을 담당하는 근육으로, 에너지 대사에도 중요한 역할을 한다. 나이가 들면서 근육량과 근력이 감소하는 근감소증은 노년층의 신체 활동을 제한하고 낙상 위험을 높이는 주요 원인 중 하나다. 그러나 기존 동물실험은 사람과의 생물학적 차이가 있고, 평면 배양접시에서 근육세포를 키우는 방식은 실제 근육의 입체적인 구조와 수축 기능을 충분히 구현하기 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀은 17세와 68세 남성 기증자로부터 확보한 근육세포를 이용했다. 세포에 근육 조직을 지탱하는 생체 물질인 탈세포화 세포외기질을 혼합한 뒤, 3D 프린팅으로 제작한 미세한 틀에서 배양했다. 이를 통해 근육세포들이 실제 근육처럼 일정한 방향으로 정렬된 3차원 미세조직을 구현했다.

두 기증자의 세포로 만든 조직을 비교한 결과, 68세 기증자의 근육세포로 제작한 조직은 17세 기증자의 조직보다 근섬유가 가늘고 세포 간 융합 정도가 낮았다. 염증 관련 지표는 높았으며, 세포의 에너지를 생산하는 미토콘드리아 기능도 저하된 것으로 나타났다.

특히 근육 수축에 관여하는 칼슘 반응이 느려졌고, 전기 자극을 가했을 때 발생하는 수축력도 감소했다. 노화에 따른 근육의 구조적·분자적 변화가 실제 기능 저하와 연결되는 양상을 하나의 실험 플랫폼에서 관찰한 것이다.

동물실험 대체할 근육 노화 연구 플랫폼

이번 연구의 특징은 근육세포의 형태나 유전자 변화에 그치지 않고 실제 수축 기능까지 함께 평가할 수 있다는 점이다. 기존의 평면 세포배양 방식보다 사람 근육의 구조와 기능을 입체적으로 구현해 노화 연구에 활용할 수 있는 기반을 마련했다.

연구진 사진. 김민석 DGIST 교수, 양소혜 석박통합과정생, 조동우 POSTECH 교수, 공정식 박사. DGIST 제공

최근 미국 식품의약국(FDA)은 동물실험 외의 시험법을 신약 개발에 활용할 수 있도록 제도를 정비하고 있다. 연구팀은 이번 기술이 이러한 흐름에 맞춰 사람의 생리적 특성을 반영하는 비임상 시험 플랫폼으로 발전할 가능성이 있다고 설명했다.

김 교수는 "이번 연구는 사람 유래 세포를 이용해 노화 관련 변화를 구현하고, 세포 수준의 변화와 실제 수축 기능을 함께 평가할 수 있는 기반을 마련했다는 데 큰 의미가 있다"며 "향후 근육 노화의 원인을 밝히고 치료 후보물질의 효능을 검증하는 유용한 연구 도구로 발전시키겠다"고 말했다.

이번 연구에는 양소혜 DGIST 뉴바이올로지학과 석박사통합과정생과 공정식 포스텍 기계공학과 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 '스몰 사이언스(Small Science)'의 표지 논문으로 선정됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr