칩 위에 만든 '사람 근육'…신경 자극·고혈당 반응 확인[과학을읽다]

KIST, 근육·운동신경·혈관내피세포 통합한 인공 근육 모델 개발
근육 기능·대사 변화 관찰…신약·재활 치료 평가에 활용 기대

사람의 근육과 운동신경, 혈관을 구성하는 세포를 하나의 칩에 구현하고, 신경 자극과 고농도 포도당 환경에 따라 근육이 어떻게 달라지는지 확인하는 기술이 개발됐다.

실제 운동과 유사한 자극을 가하면 근육 기능이 활성화되고, 고농도 포도당 환경에서는 에너지 대사 기능이 저하되는 현상이 관찰됐다. 동물실험에 의존하지 않고 사람 세포를 이용해 신약 후보물질과 재활 치료 효과를 평가하는 기술로 발전할 수 있을 것으로 기대된다.

마이크로칩 구조와 세포 배양 모습. 마이크로칩 중앙의 챔버에서 근육세포를 배양하고, 별도 챔버에서 배양한 운동신경세포는 미세 통로를 따라 축삭을 뻗어 근육 조직과 연결된다. 칩은 웰플레이트에 넣어 배양한다. 연구팀 제공

한국과학기술연구원(KIST)은 김지훈 생체분자인식연구센터 선임연구원 연구팀이 손장원 가톨릭대 부천성모병원 교수팀, 정석 고려대 기계공학부 교수팀과 공동으로 사람의 근육세포와 운동신경, 혈관내피세포를 하나의 마이크로칩에 통합한 인공 근육 모델을 개발했다고 11일 밝혔다.

연구진은 칩 내부에 사람 세포로 3차원 근육 조직을 만들고, 운동신경이 미세 통로를 따라 근육까지 뻗어 연결되도록 했다. 여기에 혈관 안쪽을 구성하는 혈관내피세포까지 추가해 실제 인체 근육의 주변 환경을 모사했다.

기존 근육 칩 연구가 근육 조직 자체를 구현하거나 근육과 신경의 연결에 초점을 맞췄다면, 이번 연구는 세 종류의 세포를 함께 배양해 구조적으로 연결하는 데 주력했다. 특히 세포들이 스스로 조직을 형성하는 '자기조직화' 과정을 통해 비교적 균일한 구조를 반복적으로 구현할 수 있음을 확인했다.

연구진이 칩에 형성된 운동신경을 반복적으로 자극하자 근섬유가 굵어지고 근육의 수축 반응과 활동성이 높아졌다. 에너지 대사 관련 유전자와 미토콘드리아 기능이 활성화됐으며, 인슐린 자극에 따른 포도당 흡수도 증가했다. 실제 운동 과정에서 나타나는 근육의 기능적 적응과 유사한 변화가 관찰된 것이다.

반대로 고농도 포도당 환경에서는 에너지 대사 기능이 떨어지고 활성산소가 증가했다. 다만 이는 실제 당뇨병 환자의 상태를 그대로 재현한 것이 아니라 고농도 포도당에 따른 대사 스트레스를 모사한 실험이다.

혈관내피세포의 역할도 확인했다. 근육과 운동신경으로 구성된 조직에 혈관내피세포를 추가하자 운동신경의 칼슘 신호가 활성화되고, 신경 자극에 따른 근육 반응도 향상됐다. 근육의 기능이 근육세포 자체뿐 아니라 주변 신경과 혈관세포의 상호작용에 영향을 받는다는 점을 보여주는 결과다.

신약·재활 치료 평가 기대…실용화까지 추가 검증 필요

이번 기술은 근감소증과 대사증후군, 신경근육 질환 등의 치료 후보물질이 사람 근육에 미치는 영향을 평가하는 데 활용될 수 있다. 운동이나 재활 과정에서 가해지는 자극이 근육 기능에 어떤 변화를 일으키는지도 비교할 수 있다.

동물실험에서는 효과가 확인된 약물이 사람에게서는 예상과 다른 반응을 보이는 경우가 있다. 사람 세포로 인체 환경의 일부를 구현하는 장기 칩은 이러한 차이를 줄이기 위한 새로운 전임상 평가기술로 주목받고 있다.

공동 연구진. 왼쪽부터 안진철 한국과학기술연구원(KIST) 박사후연구원, 김지훈 KIST 선임연구원, 손장원 가톨릭대 부천성모병원 교수, 정석 고려대 교수. KIST 제공

다만 실제 신약 평가에 활용하려면 추가 검증이 필요하다. 연구진은 다양한 자극과 약물에 대한 반응 데이터를 축적해 평가 가능한 범위를 확인하고, 칩 제작과 실험 과정을 간소화·자동화해야 한다고 설명했다. 장기 칩이 인체의 복잡한 생리 환경을 모두 재현할 수 없다는 점도 한계로 꼽았다.

김지훈 KIST 선임연구원은 "사람의 근육과 운동신경, 혈관내피세포를 하나의 칩에 구현해 신경 자극과 대사 환경에 따라 근육이 다르게 변화하는 모습을 확인했다"며 "향후 치료 후보물질과 재활 자극의 효과를 사람 세포에서 평가할 수 있는 전임상 플랫폼으로 발전시키겠다"고 말했다.

이번 연구에는 안진철 KIST 박사후연구원이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스트 머티리얼스(Advanced Materials)' 최신호에 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr