줄기세포 탑재 마이크로로봇으로 무릎연골재생 첫 성공

[아이뉴스24 최상국 기자] 전남대를 중심으로 한 산학연병 공동 연구팀이 줄기세포를 탑재한 마이크로로봇을 체내에 삽입해 손상된 무릎 연골을 재생하는 실험에 성공했다.

한국마이크로의료로봇연구원(원장 박종오)은 바이오트 코리아(대표 장영준), 선종근 교수(전남대병원 정형외과), 정용연 교수(전남대병원 영상의학과), 최은표 교수(전남대 기계공학과) 등과 공동으로 줄기세포를 기반으로 한 마이크로로봇인 ‘스템셀 네비게이터’(Stem cell navigator)를 이용, 손상된 무릎 연골을 재생하는 실험을 성공했다고 밝혔다.

연구팀은 줄기세포 탑재 마이크로로봇을 손상된 연골 부위로 정밀하게 전달하고, 이를 고정시킨 뒤 연골을 재생하기까지의 전 과정을 세포 및 동물실험(토끼)을 통해 검증하고 그 결과를 지난 1월22일 국제학술지 ‘사이언스 로보틱스 (Science Robotics)’에 발표했다.

'스템셀 네비게이터'는 한국마이크로의료로봇연구원이 지난 2017년 원천기술을 개발해 바이오트코리아에 이전한 의료용 마이크로로봇 기술이다. 이후 약 2년만에 실제 동물을 대상으로 한 실험에서 연골 재생효과가 확인됨에 따라 체내 삽입형 마이크로의료로봇이 상용화에 한 걸음 더 다가설 수 있게 됐다.

마이크로로봇의 ‘다공성’ 구조는 많은 수의 줄기세포를 탑재하고, 영양분을 원활하게 공급할 수 있도록 하며, 생분해성 재료로 이루어져 체내에서 서서히 분해된다. 마이크로로봇 표면의 자성 마이크로입자는 외부 자기장에 반응해 마이크로로봇을 손상된 연골로 정밀하게 전달하고 환부에 안정적으로 고정하는 역할을 한다.

제작된 마이크로로봇에는 사람의 지방에서 유래한 줄기세포가 탑재됐으며, 손상된 연골 부위로 정밀하게 전달·이식된 줄기세포는 연골세포로 분화돼 무릎 연골 재생 효과를 극대화할 수 있다.

연구팀은 이번 연구가 "현재의 줄기세포 기반 무릎 연골 재생법을 넘어 마이크로의료로봇을 통한 재생 및 치료 효과를 최초로 확인한 것"으로 의미를 부여했다.

현재 퇴행성관절염의 진행을 늦추고 무릎인공관절수술을 피할 수 있는 방법으로 환자에게서 추출한 성체줄기세포, 연골세포와 같은 ‘자가 유래세포’를 무릎 연골에 이식 혹은 주입하는 방식으로 치료가 이뤄지고 있지만, 이러한 세포 기반의 치료법은 주입된 세포가 스스로 움직일 수 없다는 점이 가장 큰 단점이다. 이 때문에 윤활액 내 주사를 통한 기존의 세포 주입법은 많은 양의 세포를 필요로 하며 무릎 절개를 통한 침습적 시술을 해야 하는 부담이 있다.

연구팀은 이같은 기존 치료법의 한계를 극복하기 위해 동물 골수에서 유래한 성체줄기세포를 탑재할 수 있는 ‘스템 셀 네비게이터’를 개발해왔다.

연구논문의 제1저자인 한국마이크로의료로봇연구원 고광준 연구원과 바이오트 코리아의 정신구 과장은 “실험실 수준에서 머물렀던 지금까지의 마이크로의료로봇 연구들과 달리 생체 내 질환 치료가 가능함을 보여준 첫 사례”라며, “무릎 연골 재생 뿐만 아니라 향후 다른 질환의 치료에도 적용 가능할 것"으로 기대했다.

총괄 교신저자인 최은표 전남대 기계공학부 교수는 “임상진입까지는 많은 난관이 남아 있지만 산·학·연·병 간 협력과 2019년 출범한 식품의약품안전처의 융복합혁신제품지원단의 지원을 통해 임상 진입에 박차를 가할 계획”이라고 밝혔다.

◇논문명 : Human adipose–derived mesenchymal stem cell–based medical microrobot system for knee cartilage regeneration in vivo

◇저자 : 고광준(한국마이크로의료로봇연구원, 전남대 기계공학부), 정신구(바이오트코리아, 이상 제1저자), 최은표 교수(전남대 기계공학부), 선종근 교수(전남대 병원 정형외과), 박종오 교수((한국마이크로의료로봇연구원장, 전남대, 이상 교신저자)