3D 바이오프린팅 인공 지방 피부 재생 효과 입증

지방 조직이 내분비 기관으로 인식되면서 면역 반응과 조직 재생에 중요한 역할을 한다는 연구가 증가하고 있지만, 구조와 기능을 생체처럼 재현하는 것이 어려워 재생의학에서 활용이 제한적이었다. 최근 부산대학교 연구팀이 최적화된 모듈식 3D 바이오프린팅을 활용해 내분비 활성 지방 조직과 피부 조직을 결합하는 기술을 개발해 조직 재생과 상처 치료 분야에서 새로운 가능성을 제시하고 있다.

부산대학교(총장 최재원)는 의생명융합공학부 김병수 교수 연구팀이 3D 바이오프린팅 기술을 활용한 내분비성 지방 조직 조립을 통해 피부 재생을 촉진하는 연구 성과를 발표했다고 밝혔다.

▲ 김 병수 교수 ▲이 재성 대학원생 ▲ 안 민준 박사

이번 연구에서는 지방 조직의 내분비 기능을 유지하면서도 다양한 조직과의 통합을 가능하게 하는 신속한 조직 조립 기술을 개발했으며, 이를 통해 지방 조직이 피부 조직과 효과적으로 결합해 상처 치유를 촉진함을 확인했다.

지방 조직의 내분비 기능을 활용한 조직 재생 연구의 새로운 패러다임을 제시한 이번 연구는 생체재료 및 조직공학 분야에서 세계적으로 인정받는 국제학술지 『Advanced Functional Materials』 2월 2일자에 게재됐다.

- 논문 제목: 3D Bioprinting-Assisted Tissue Assembly of Endocrine Adipose Units for Enhanced Skin Regeneration (3D 바이오프린팅을 활용한 내분비 지방 조직 유닛의 조립 및 피부 재생 촉진)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202419680

지방 조직은 단순한 에너지 저장소를 넘어 다양한 생리활성을 조절하는 내분비 기관으로서의 역할이 주목받고 있다. 내분비란, 체내에서 생성된 호르몬을 도관(導管)을 거치지 않고 직접 혈액 속으로 보내는 작용을 말한다.

- 지방 세포는 여러 사이토카인(면역세포가 분비하는 단백질 신호물질)을 분비해 주변 조직과 상호작용하며, 이러한 내분비 기능은 대사 항상성과 조직 재생에 중요한 영향을 미친다. 하지만 기존 조직공학 기술로는 지방 조직의 구조와 기능을 효과적으로 재현하는 데 한계가 있었다. 특히, 지방 조직은 피부 및 근육과의 상호작용을 통해 조직 항상성과 재생을 조절하는데, 이를 반영한 조직 제작 기술이 부족해 재생의학에서 활용이 제한적이었다.

이에 연구팀은 지방 조직의 내분비 기능을 유지하면서도 다양한 조직과 결합할 수 있는 조립 기술을 개발하고, 이를 활용해 피부 재생을 촉진하는 연구를 진행했다.

지방 조직과 피부 조직의 통합이 중요하다는 점에서, 연구팀은 지방 조직을 레고 블록과 유사한 모듈 단위로 제작해 피부 진피층과 결합하는 방식을 도입했다.

지방 조직의 높은 세포 밀도를 유지하고 기능성을 극대화하기 위해 내장형 3D 바이오프린팅(embedded 3D bioprinting) 기법을 적용해 지방 조직 단위를 안정적으로 형성할 수 있는 최적의 바이오잉크 조성과 프린팅 조건을 설정했다. 이를 위해 유변학적 분석과 유체역학적 시뮬레이션을 수행해 바이오잉크의 점탄성을 최적화했다.

지방 조직 단위 내 세포가 효과적으로 성숙할 수 있도록 알지네이트(alginate)를 포함한 하이브리드 바이오잉크를 개발했다. 기존의 AdECM* 바이오잉크만 사용할 경우, 지방 전구세포가 주변 배지로 이동하면서 밀집된 세포 환경이 유지되지 않는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 세포 부착 특성이 낮은 알지네이트를 AdECM 바이오잉크에 첨가해 세포 이동을 제한했다.

* AdECM(지방 유래 탈세포화 ECM): AdECM은 지방 조직의 자연적인 환경을 모방해 지방세포의 성숙과 내분비 기능을 극대화하는 중요한 바이오잉크의 주재료임.

그 결과, 0.5% 알지네이트를 포함한 하이브리드 바이오잉크에서 지방 세포의 밀집도가 가장 높고, 지방 세포의 성숙을 촉진하는 유전자의 발현이 증가하는 것을 확인했다.

이어 연구팀은 하이브리드 바이오잉크를 기반으로 지방 단위(adipose unit)의 최적 크기를 설정했다. 실험 결과, 900 ㎛(마이크로미터, 100만분의 1미터) 이상의 크기에서는 지방 단위 내부에 저산소(hypoxia) 환경이 형성돼 기능성이 저하됨을 확인했으며, 600 ㎛ 에서 지방 세포의 생존 및 성숙이 최적화됨을 밝혔다.

또한, 지방 단위 간의 상호작용을 극대화해 내분비 기능을 강화하기 위해 간격을 조정하는 실험을 수행해, 1,000 ㎛ 이하에서 세포 간 신호 전달 및 성숙도가 가장 높은 것으로 파악됐다.

지방 단위가 피부 재생에 미치는 영향을 평가하기 위해서는 3D 프린팅 기반 맞춤형 상처 치유 플랫폼(wound scratch assay platform)을 제작했다. 이에 따르면, 지방 단위가 포함된 환경에서 피부 세포(섬유아세포 및 각질형성세포)의 이동 속도가 증가해 16시간 내 80% 이상의 상처 폐쇄율을 기록했으며, 특히 지방 단위 간 간격이 1,000 ㎛일 때 가장 높은 세포 이동성을 보였다.

누드 마우스(nude mouse) 모델을 이용해 지방 단위가 포함된 모듈을 피부 손상 부위에 이식한 결과, 상처 부위의 혈관 형성이 증가하고 표피 재생이 촉진됨을 확인했다. 레이저 도플러 혈류 이미징(LDPI) 분석에서 혈관 생성이 증가해 혈류 공급이 원활하게 이뤄짐을 증명했으며, 면역조직화학 분석에서 혈관 생성 마커(CD31) 및 표피 형성 마커(K10, involucrin)의 발현이 증가해 피부 재생이 활성화됨을 입증했다.

연구팀은 이번 연구를 통해 내분비 기능을 갖춘 지방 조직을 3D 바이오프린팅을 이용해 제작하고, 이를 피부 조직과 정밀하게 결합하는 어셈블리 전략이 기존 조직 공학적 접근법보다 더 빠르고 효율적인 재생 효과를 제공할 수 있음을 밝혔다. 특히, 모듈형(polycaprolactone, PCL) 프레임워크를 활용한 정밀한 조직 어셈블리 기술을 적용해 지방 조직과 피부 조직을 효과적으로 결합하고, 생체 내 환경에서 안정적인 구조를 유지할 수 있도록 설계했다.

또한, PCL 프레임워크의 조립식(Lego-like) 디자인을 통해 다양한 조직 모듈을 유연하게 조합할 수 있어, 지방 조직뿐만 아니라 혈관 조직, 피부 조직 등과의 결합이 용이하며, 맞춤형 복합 조직 제작이 가능하다는 점에서 기존 바이오프린팅 방식과 차별성을 가진다. 이러한 정밀 어셈블리 시스템을 통해 조직 간 신호 전달을 극대화하고, 지방 조직의 내분비 기능을 유지하면서도 피부 재생을 촉진하는 효과적인 조직 통합이 가능함을 증명했다.

부산대 김병수 교수는 “이번 연구는 지방 조직의 내분비 기능을 활용해 피부 재생을 촉진할 수 있는 혁신적인 3D 바이오프린팅 기술을 개발했다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “이 기술이 조직 공학 및 재생의학 분야에서 지방 조직뿐만 아니라 다기능성 인공 조직 제작을 위한 새로운 가능성을 제시할 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 부산대 의생명융합공학부 김병수 교수가 교신저자, 정보융합공학과 의생명융합전공 이재성 석박통합과정생과 의학연구원 안민준 박사가 공동 제1저자로 수행됐다.

해당 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 수행된 한국연구재단 우수신진연구사업, 선도연구센터 및 산업통상자원부 알키미스트 프로젝트 지원을 받았다.