[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

제1형 당뇨병1) 치료 연구에서 췌도2) 이식의 중요성이 커짐에 따라 피하(피부 밑)3)에 이식 가능한 매크로 캡슐화 시스템(Macro-encapsulation system)4)들에 대한 연구들이 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 시스템들은 최소 침습적 방법으로 췌도를 이식할 수 있으며, 부작용이 있을 시 이식된 췌도의 회수가 용이하다. 또한 피하는 다른 장기에 비하여 합병증 발생률이 낮다는 장점을 지닌다. 그러나 피하 조직은 혈관 밀도가 낮아 영양소 및 산소 공급이 제한되며, 이는 이식된 췌도의 생존율 및 기능을 크게 저하시킨다. 이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 미리 혈관 구조를 추가하는 방법을 시도하고 있으나, 이는 시스템을 크게 복잡하게 만들 뿐만 아니라 혈관 세포의 면역원성으로 인해 임상 적용이 어렵다는 문제를 지니고 있다.

2.연구내용

본 연구팀은 3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 혈관 밀도가 낮은 피하에서 높은 효율을 발휘할 수 있는 새로운 매크로 캡슐화 시스템을 개발하였다. 새로운 시스템은 췌도와 임상적으로 널리 사용되는 생체 재료만을 사용하여 개발되었으며, 간단한 구조를 지니고 있어 높은 임상 적용 가능성을 지녔다. 피하 조직에서 시스템의 효율성을 극대화하기 위해 본 연구에서는 두 가지 전략을 적용하였다.

첫째, 다층 시트형 매크로 캡슐화 시스템의 개발 및 정교한 프린팅을 통하여 이식된 췌도들이 피하 조직 내 혈관들과 최대한 가까이 위치할 수 있도록 하였다. 이를 위하여 다층 구조체 내 약 300μm 두께의 상/하부층에만 췌도들을 배치하여 혈관과 췌도 사이의 거리가 최소화 될 수 있도록 하였다. 이러한 구조적 특징은 생체 내에서 췌도로 원활한 영양소 및 산소 공급이 가능하도록 하였다.

둘째, 마이크로 두께의 상/하부층 내 췌도들의 밀도를 정교하게 조절하여 췌도의 기능이 장기간 높게 유지할 수 있도록 하였다. 이와 같이 본 연구에서는 혈관 밀도가 낮은 피하 조직에서 발생하는 문제들을 해결하는데 중점을 두었다. 뿐만 아니라, 개발된 시스템은 인체 피하에 이식이 적합한 크기로도 제작이 가능하여 임상 적용성이 매우 우수하다.

개발된 시스템의 당뇨 치료 효능은 동물 실험을 통해 입증되었다. 적은 양의 췌도(~250 췌도 등가량5), Islet equivalent, IEQ)를 이식했음에도 4개월 이상 높은 혈당 조절 기능을 발휘할 수 있음이 확인되었다.

더 나아가, 새로운 시스템은 항섬유화 약물6)의 국소 분비가 가능하여 이종 췌도 이식7) 기술의 개발에도 높은 잠재력이 있음이 확인되었다. 개발된 시스템으로 면역을 가진 당뇨병 쥐에서 이종 췌도의 기능을 한 달 이상 유지 시킬 수 있음이 입증되었다. 이종 췌도 이식 기술은 인간 췌도의 공급이 크게 제한되는 현재의 상황에서 잠재적인 해결책으로 큰 주목을 받고 있다. 돼지와 같은 이종 동물에서 얻은 췌도를 인간에게 이식하는 경우, 면역 거부 반응8)을 최소화하는 것이 중요한 과제인데, 본 시스템은 면역 거부 반응을 줄이면서도 이식된 췌도의 기능을 높게 유지할 수 있는 가능성을 보여주었다.

3.기대효과

본 연구에서 개발된 새로운 췌도 이식체 시스템은 단순한 구조를 지니며, 피하에서 높은 효율을 보여주었다. 또한, 임상에서 검증된 생체 재료들로 구성되어 있어 높은 임상 적용 가능성을 지니고 있다. 이러한 특징들은 기존 연구들의 접근 방식을 혁신적으로 변화시킬 수 있으며, 효용성이 높은 제1형 당뇨병 치료 기술의 개발에 새로운 가능성을 제시하고 있다.

또한, 새로운 시스템은 췌도 공급 부족 문제를 해결할 수 있는 이종 췌도 이식의 가능성을 열어주고 있다. 본 연구에서 개발된 이식체는 피하 이식의 간편함과 비용 절감 효과, 그리고 낮은 합병증으로 인해 당뇨 환자들의 삶을 크게 향상시킬 수 있을 것이다.

[붙임] 용어설명

1.제1형 당뇨

췌장에서 인슐린을 분비하는 췌도 세포가 자가면역질환 등으로 손상돼 발생하는 질환이다. 주로 어린 나이에 발병해 소아 당뇨로도 알려져 있다. 성인병으로 알려진 제2형 당뇨는 인슐린은 정상적으로 분비돼나 인슐린에 반응하는 능력이 떨어진(인슐린 저항성) 상태이며, 제1형 당뇨는 인슐린 분비 자체가 없다.

2.췌도(Islet)

췌장에서 혈당을 조절하는 호르몬을 분비하는 세포들의 덩어리로, 제1형 당뇨병 환자에게 중요한 이식 대상이다.

3.피하(Subcutaneous)

피부 바로 아래에 위치한 조직을 말하며, 췌도 이식 시 이 부위에 췌도를 넣어 치료에 활용할 수 있다.

4.매크로 캡슐화 시스템(Macroencapsulation system)

췌도 같은 세포를 보호하고 인체에 이식할 수 있도록 고안된 장치로, 세포가 담긴 캡슐을 체내에서 안전하게 유지하면서 외부 환경과 상호작용하게 한다.

5.췌도 등가량(Islet Equivalent, IEQ)

췌도 세포를 정량화하는 단위로, 이식에 필요한 췌도의 수를 계산하는 기준이다.

6.항섬유화 약물(Antifibrotic drugs)

염증반응에 의한 조직 손상 및 섬유질 조직의 형성을 억제하는 약물이다.

7.이종 이식(Xenotransplantation)

다른 종의 장기나 세포를 이식하는 방법으로, 예를 들어 돼지의 췌도를 인간에게 이식하는 것을 말한다.

8.면역 거부 반응(Immune rejection)

이식된 장기나 세포를 인체의 면역 시스템이 이물질로 인식해 공격하는 반응으로, 이식 성공률에 큰 영향을 미친다. 조직이 딱딱하게 굳는 섬유화가 대표적인 면역 거부 반응이다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 연구 전략의 도식.

그림 2. 3D 프린팅 이식체의 이미지. 각각 췌도(Pancreatic Islets) 이식체의 상단 (췌도 이미지 스케일 바, 300 µm), 측면 및 바깥층의 형광 측면 이미지. 형광 측면 이미지를 통해 위층과 아래층에 췌도가 밀집된 것을 확인할 수 있다. (스케일 바, 300 µm).

그림 3. 항섬유화 약물을 포함하지 않는 췌도 이식체(좌)와 포함하는 이식체(우) 현미경 이미지. (스케일 바, 100 µm).

그림 4. 환자에게 적용 가능한 이식체 스케일업 구조체의 제작 결과 (130 mm × 130 mm) 의 이미지.