피에조-전기 비계로 연골 정상적으로 다시 자라나
코네티컷 대학교 생명공학자들은 토끼의 무릎의 연골을 성공적으로 다시 자라나게 했다. 이는 인간의 관절을 치료하기 위한 유망한 도약이다
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관절염은 우리의 관절에 생긴 손상으로 야기되는 흔하고 고통스런 질병이다. 정상적으로는 연골 패드가 그 부위의 충격을 흡수해준다. 그러나 손상이나 나이로 연골은 닳아 없어진다. 연골이 퇴화하면서 뼈와 뼈가 부딪치기 시작하고 보행 같은 일상적인 활동이 엄청나게 고통스러워진다.

현재 가능한 최선의 치료법은 신체의 다른 부위에서 가져오거나 혹은 기증자가 제공하는 건강한 연골로 손상된 연골을 교체하는 시도이다. 그러나 건강한 연골은 공급이 제한적이다. 만약 연골이 자신의 것이라면 그것을 이식하는 것은 연골을 떼어 가져오는 부위가 손상될 수도 있고, 다른 사람으로부터 기증받은 것이라면 면역체계가 연골을 거부할 가능성이 있다.

가능한 최선의 치료는 손상된 관절에 건강한 연골이 다시 자라나게 하는 것일 것이다. 어떤 연구가들은 몸이 스스로 연골을 자라나게 하도록 유도하는 화학적인 성장인자들을 늘리려고 시도했고, 또 다른 시도들은 몸에 신선한 조직을 위한 형판을 제공하기 위해 생명공학 기술로 만든 비계를 사용한다. 그러나 이런 접근법 중 어떤 것도 효과가 없고, 심지어 결합해도 효과가 없다.

코네티컷 대학교 생명공학자인 탄 구엔은 이렇게 말했다. “다시 자라난 연골은 원래의 연골같이 작용하지는 않는다. 관절의 정상적인 압력을 견디지 못하고 부서져 버린다.”

그의 실험실은 또 연골 재생도 연구하고 있고 그들은 전기 신호가 정상적인 성장의 열쇠인 것을 발견했다. 그들은 - 수술 상처를 꿰매는 데 흔히 사용하는 생분해성 고분자인 - 폴리 L 젖산(PLLA)이란 나노섬유로 조직 비계를 디자인했다. 이 나노물질은 피에조-전기(압전)라는 성질을 갖고 있다. 나노물질은 압착이 되면 약간의 전류를 발생한다.

사람의 보행 같은 관절의 규칙적인 움직임은 폴리 L 젖산 비계가 약하지만 지속적인 전기장을 발생하도록 만든다. 이 전기장이 비계가 자리를 잡고 연골로 자라나도록 촉진한다. 잠재적으로 유독하거나 원하지 않는 부작용의 위험을 감수해야 하는 외부의 성장인자나 혹은 줄기세포는 필요하지 않고, 중요한 것은 자라나는 연골이 기계적으로 튼튼하다는 것이다.

연구진은 최근에 상처 입은 토끼의 무릎에 비계를 테스트해보았다. 토끼는 비계를 이식한 후 쳇바퀴 위에서 달리면서 운동을 하도록 했고, 예상했던 것과 똑같이 연골이 정상적으로 다시 자라났다. 구엔의 연구진의 박사후 연구원으로 논문의 주저자인 양 리우는 다음과 같이 말했다. “피에조-전기는 인체 내에도 존재하는 현상이다. 뼈, 연골, 콜라겐, DNA와 여러 가지 단백질은 피에조-전기적인 반응을 나타낸다. 연골을 치료하는 우리의 접근법은 임상적으로 응용할 수가 있고 우리는 관련된 치료 메커니즘을 살펴볼 것이다.”

이번 연구 결과가 고무적이지만 구엔은 조심스럽다. 그는 다음과 같이 말했다. “이는 매혹적인 결과이지만 우리는 더 큰 동물, 즉 크기나 무게가 인간에 가까운 동물에서 이것을 테스트해볼 필요가 있다. 우리 실험실은 연골을 확실히 튼튼하게 만들기 위해서 최소한 1년, 아마도 2년 동안은 치료한 동물을 관찰하기를 원한다. 또 늙은 동물에도 폴리 L 젖산 비계를 테스트해보는 것이 이상적일 것이다.”

이어서 구엔은 “관절염은 보통 인간의 경우 노인의 질병이다. 어린 동물들은 늙은 동물보다 더 쉽게 회복이 된다. 만약 피에조-전기 비계가 늙은 동물에게도 마찬가지로 도움이 된다면 이는 정말로 생명공학의 획기적인 진전일 수가 있다.”라고 밝혔다.

참조:
Y. Liu et al., "Exercise-induced piezoelectric stimulation for cartilage regeneration in rabbits" Sci Transl Med. 2022 Jan 12;14(627):eabi7282. doi: 10.1126/scitranslmed.abi7282.