조직공학과 세포 스캐폴드

조직공학과 세포

공학적 장기가 마침내 의학에서 현실화되고 있을까요? 조직공학의 개념은 간단합니다. 실험실에서 환자의 줄기세포를 성장시키고 이를 스캐폴드 재료에 추가하면 실험실에서 성장한 장기가 있습니다. 그러나 지금까지 이 기술의 혜택을 받은 환자는 거의 없습니다. 변화가 지평선에 있을 수 있습니까?

스캐폴드, scaffold material
스캐폴드는 의료 목적을 위한 새로운 기능 조직의 형성에 기여하기 위해 바람직한 세포 상호 작용을 유발하도록 설계된 재료입니다. 세포는 종종 3 차원 조직 형성을 지원할 수 있는 이러한 구조에 ‘시드’ 됩니다 . 스캐폴드는 천연 조직의 세포 외 기질을 모방하여 생체 내 환경을 재현하고 세포가 자신의 미세 환경에 영향을 미칠 수 있도록합니다. 그들은 일반적으로 다음 목적 중 하나 이상을 제공합니다. 세포 부착 및 이동 허용, 세포 및 생화학적 요인 전달 및 유지, 필수 세포 영양소 및 발현된 산물의 확산을 가능하게 하고, 특정 기계적 및 생물학적 영향을 발휘하여 세 포기의 행동을 수정합니다. [출처 : 위키페디아, 조직공학]

 

 

장은 일반적으로 수행하는 과정의 복잡성으로 인해 복구하기가 어렵습니다. 과학적 연구는 종종 환자에게 새롭고 획기적인 치료법을 제공하는 것으로 환영받습니다.

그러나 극명한 현실은 실험실에서의 발견을 실행 가능한 임상 옵션으로 전환하기 위해 긴 여정을 여행해야 한다는 것입니다. 심각한 위장 문제가 있는 환자에게는 새로운 해결책이 절실히 필요합니다.

현재의 치료는 문제로 손상되었습니다. 그리고 이와 같은 합병증은 많은 사람들에게 영향을 미칩니다. 예를 들어, 단장 증후군(short bowel syndrome)이 있는 아기는 소장이 너무 짧아 영양분을 제대로 흡수 할 수 없습니다.

이 질환은 미국에서 연간 100,000명의 신생아 중 약 25명에게 영향을 미치며 평생 합병증을 유발할 수 있습니다. 단장 증후군은 암 이나 기타 질병으로 인해 장의 일부를 제거해야하는 경우에도 발생할 수 있습니다.

또한, 암 수술이나 노령의 결과로 출산 중 항문 괄약근(anal sphincter)이 손상되면 환자는 변실금(fecal incontinence)을 경험할 수 있습니다. 여성의 26 % 가 질 분만 후 변실금을 경험하는 것으로 보고되었습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 미국의 한 재생의학연구소 연구팀은 항문 괄약근 부상과 단장 증후군 모두에 대한 새로운 치료법을 개발하고 있습니다. 그러나 이러한 새로운 치료법이 환자에게 도달 할 가능성은 얼마나 될까요? 많은 환자들이 더 나은 치료 옵션을 절실히 필요로 합니다.

 

 

조직공학 장, Tissue-engineered bowel

재생의학 팀의 목표는 환자 자신의 세포를 사용하여 실험실에서 소화관에 영향을 미치는 파괴적인 조건을 위한 대체 조직을 조작하는 것을 팀의 접근 방식으로 설명합니다.

소장(small intestine)은 복잡한 조직입니다. 음식이 장을 통해 이동할 때 음식의 수축 및 전방 추진에 필수적인 근육 세포로 구성됩니다. 이 세포들은 수축이 일어나도록 정확한 방법으로 정렬되어야 합니다. 신경은 근육 세포가 수축하도록 자극하는 데 필수적입니다.

마찬가지로, 괄약근에서 근육과 신경 세포는 정상 기능을 위해 밀접하게 협력해야 합니다. 서로 다른 세포 간의 이러한 협력은 조직공학에서 가장 큰 과제 중 하나입니다. 세포는 자연적으로 성장하고 체내에서 함께 작용하지만, 서로 다른 세포는 대부분 실험실에서 분리되어 성장합니다.

재생 의학 팀은 한 방향으로 정확하게 정렬된 근육 세포를 성장시키고, 며칠 후 세포 배양에 추가 될 때 신경 세포와 연결될 수 있는 정확한 방법을 수년간 개발 했습니다.

조직공학 저널에 게재된 최근 논문에서 연구자들은 두 세포 유형의 시트를 소장의 구조를 구성하는 작은 속이 빈 튜브로 옮겼습니다. 그 후 4 주 동안, 쥐의 하복부에 튜브를 이식하여 혈관이 구조에 침투 할 수 있도록 했습니다. 이 순응 단계 후, 튜브를 쥐의 소장에 부착하여 6 주 동안 제자리에 머물렀습니다.

중요한 것은, 이 기간이 지나고 음식에서 영양분을 흡수하는 데 필수적인 장내막세포 또는 상피세포(epithelial cells)가 관으로 이동하기 시작했다는 사실을 발견했습니다. 또한 튜브에서 음식을 발견하여 소화가 일어나고 있으며, 이 음식이 튜브를 통해 활발하게 이동하고 있음을 나타냅니다.

실험실에서 대체 장 조직을 구축하는 데 있어 주요 과제는 소화된 음식물을 위장관을 통해 이동시키는 것이 장 조직의 평활근과 신경 세포의 조합이라는 것입니다.

우리의 결과는 조작된 인간 장이 위장 장애가 있는 환자 또는 암으로 인해 장의 일부를 잃은 환자에게 장을 연장하는 실행 가능한 치료법을 제공 할 수 있음을 시사합니다. 연구 팀은 이제 더 큰 동물 모델에서 튜브를 테스트 할 계획입니다.

이번 주 줄기세포 이식의학 저널에 발표된 최근 연구에서, 10 년 이상 연구해온 변실금을 회복하기 위해 큰 동물 모델에서 조작된 항문 괄약근을 사용할 수 있는 가능성을 보여줍니다.

쥐 모델에 대한 이전 연구를 기반으로, 그들은 근육과 신경 세포를 결합하여 고리 모양의 구조를 생성하는 유사한 접근 방식을 사용했으며, 그런 다음 배설물 요실금이 있는 토끼에게 이식했습니다.

그들의 결과는 3 개월 후, 조작된 괄약근이 근육과 신경이 모두 있는 상태에서 기능을 한다는 것을 보여주었습니다. 이식을 받은 토끼의 변실금이 회복되었습니다.

더 긴 후속 연구가 현재 진행되고 있습니다. 그러나 연구 팀은 물론 이 연구 분야에서 조직공학 솔루션을 연구하는 유일한 연구팀은 아닙니다.

 

세포와 스캐폴드(scaffolds)

캘리포니아 로스앤젤레스에 위치한 어린이 병원의 한 연구팀은 장에서 채취한 세포 혼합물을 사용하여 관형 스캐폴드 구조에 추가합니다. 이 연구의 접근 방식은 상피 세포(epithelial cells)를 포함한다는 점에서 위 연구팀의 접근 방식과 다릅니다.

상피 세포를 이용한 접근법이 튜브에서 우수한 상피 세포 커버리지를 제공 할뿐만 아니라 쥐와 생쥐 모델 모두에서 장 기능을 향상 시킨다는 것을 보여주었습니다. 생쥐 연구에서 근육과 신경 세포는 이식편에서 발달했지만, 위 연구팀의 접근 방식을 복제하려고 시도하는 것처럼 자연 조직과 같은 방식으로 정렬되지 않았습니다.

캘리포니아 스탠포드 의과 대학팀은 장 줄기 세포를 빠르게 확장하는 새로운 방법을 개발했습니다. 장기적인 목표는 다양한 장 문제를 치료하는 데 사용할 수 있는 세포를 생산하는 것입니다. 오하이오 주 클리블랜드 클리닉팀은 쥐 모델에서 괄약근의 25%를 제거한 후 항문 괄약근 기능의 개선을 보여주기 위해 골수 줄기세포 주사를 사용했습니다.

위장관의 조직공학에서 분명히 진전이 이루어지고 있습니다. 그러나 환자에게 적용되기까지는 거쳐야 할 관문이 많아 보입니다.

 

미래와 조직공학 장기 어떻게 될까요?

조직공학 장을 환자에게 전달하는 데 가장 큰 장벽은 모든 세포 유형이 조율된 방식으로 함께 작동하도록 한 다음 조직공학 장을 임상적으로 유용한 차원으로 확장하는 것입니다.

사실, 대부분의 조직공학 분야는 스케일링 문제로 고통 받고 있습니다. 치료법이 작은 설치류의 규모에서 매우 잘 작동 할 수 있지만, 인간을 위한 소장의 뻗기와 같은 훨씬 더 큰 구조물을 만드는 것은 훨씬 더 어렵습니다.

연구팀은 소장 이식수술을 통해 대규모 동물 연구에서 발견된 결과가 사실인지 테스트 할 계획이고, 이는 상당한 비용이 필요합니다. 가장 큰 장애물은 그러한 프로젝트에 대한 자금 지원입니다. 적절한 자금이 있다면, 인간을 대상으로 테스트 할 수 있는 기간을 상당히 줄일 수 있습니다.

하지만, 이에 대한 정책은 상당히 부족한 상황입니다. 미국의 국립보건원의 예산이 상당부분 삭감하고 있기 때문입니다.  그러나 분명한 것은 환자가 계속해서 새로운 치료법을 찾기 위해 선구적인 과학이 필요하다는 것입니다. 그리고 연구 자금은 이러한 아이디어를 현실로 바꾸는 데 절대적으로 중요할 것입니다.

 

[Mov] How scaffold and biomaterials help regeneration?