의료 분야 연구가들은 심장질환과 치료제의 효능을 이해하기 위해 뛰어난 모델을 필요로 한다. 이를 위해 여러 기관의 연구원들이 심장질환 연구를 위한 모델을 제작했다. 이 모델은 살아있는 심장 세포로 심장의 심실을 만든 3D 모델로 발전 가능성이 있다는 평가를 받고 있다.

좌심실의 인공 모델

보스턴아동병원, 하버드줄기세포협회, 하버드 존 폴슨 공학응용과학대학과 하버드대 기술개발원이 참여한 이번 연구에는 생명공학과 나노기술이 적용됐다.

연구진은 의약품을 테스트하고 질병을 연구하며, 특정 환자 치료를 위해 인간의 심장 좌심실을 생명공학 기술을 사용해 3D 형태로 만들어냈다. 이 인공 모델은 나노섬유 스캐폴드와 폴리에스테르, 젤라틴 섬유로 구성됐다.

연구팀은 스캐폴드를 만들어내기 위해서 하버드 생명공학연구소 DBG가 개발한 풀 스피닝(pull spinning)이라는 생산 플랫폼을 사용했다. 그리고 심실을 만들기 위해 생분해성 폴리에스테르와 젤라틴 섬유를 결합한 후 총알 형태로 만들었다. 섬유의 고른 배열은 심장 세포에서 핵심이다.

"진짜와 같은 기능을 하는 심실을 얻기 위해 자연 근육의 구조를 재현하는 것이 중요했다"고 이번 연구의 수석 저자인 루크 맥퀸 박사는 말했다.

3D 모델을 위해 배양한 심장 세포

연구팀은 나노섬유 스캐폴드 제작을 마쳤을 때, 인간의 심장근육세포 또는 실험 쥐의 근육세포로 심실을 배양하기 시작했다. 세포는 다양한 세포 유형과 차별화할 수 있는 유도줄기세포에서 채취했다. 심장세포 배양을 시작하고 3~5일이 지난 후, 연구팀은 얇은 조직벽이 스캐폴드를 덮고 있다는 것을 확인할 수 있었다.

연구팀은 세포들이 서로 섞여있다는 것을 확인하고, 세포 내에서 칼슘 증가를 관찰하고 조절하기 시작했다. 그리고 좌심실의 압력과 크기를 적절하게 조절하기 위해 카테터를 삽입했다.

합성 심실 테스트

인공 모델이 실제 심실과 동일한지 알기 위해 테스트가 필요했던 연구팀은 이 모델을 약물에 노출시키고 심장질환을 모방한 실험을 실시했다. 먼저 조직을 아드레날린과 유사한 이소프로테레놀에 노출시켰다. 이 방법으로 인간 및 실험 쥐의 심장 조직의 심장박동 증가를 측정할 수 있었다. 그 다음으로는, 심근경색 또는 심장마비를 유발하기 위해 심실에 구멍을 냈다. 이 방법으로 페트리 접시에서 심장질환의 영향을 연구할 수 있게 됐다.

장기간 연구를 위한 기기

세포는 결국 죽기 때문에 연구팀은 장기간 사용이 가능한 심실을 만들 수 있는 기기를 개발했다. 이 기기는 판막 삽입기와 카테터의 추가 접근 포트, 심실보조기를 위한 별개의 공간을 갖춘 자가 억제 생물반응장치다.

연구팀은 인간 심장세포를 가진 생물반응장치를 테스트, 6개월 동안 여러 개의 심실을 배양할 수 있었다. 그 결과 심장질환 진행 및 의약품의 효능에 관한 중요한 세부사항을 관찰할 수 있었다.

이번 연구는 향후 가능성이 기대되며, 프로젝트는 배양 세포 또는 3D 심실 모델을 제작하는 데에서 중단되지 않을 것이다. 이번 연구를 통해 특정한 생물의학에 적용할 수 있을 것이라는 전문가들의 의견이 제시됐기 때문이다.

"프로젝트의 장기적인 목표는 동물 모델을 인간 모델 및 특히 특정 환자 모델로 교체 또는 보충하는 것이다. 미래에 환자의 줄기세포를 채취해 전체 장기의 특징을 복제한 조직 모델을 만들 수 있을 것이라는 판단이다"라고 맥퀸 박사는 말했다.

연구팀의 다음 계획은 환자로부터 채취한 줄기세포를 사전 처리해 사용하는 것이다. 이 줄기세포는 심실에 심어지고, 고속처리 조직 생산에도 사용될 것이다. 공동저자인 윌리엄 푸 박사는 합성 모델이 환자의 실제 질병에 대한 생리학적 구조 연구에도 사용될 수 있다고 밝혔다.

이는 심실이 감염이나 질환, 유전적 비정상이 있는 심장 세포를 가지고 있을 수 있다는 의미다. 의료 과학자들은 장기간 연구로 세포 수준에서 심장질환을 익힐 수 있을 것으로 예상된다.

연구팀은 비록 이번 생명공학 기술이 심실 생산에만 사용됐다고 하더라도, 장기간 연구를 통해 언젠가 두 개의 심실과 두 개의 심방으로 구성된 심장을 만들어낼 수 있을 것이라고 기대하고 있다.

[메디컬리포트=김성은 기자]