[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 국내 연구진이 신체 외부에서 자기장 힘을 이용해 원하는 신체 내부조직으로 정밀하게 줄기세포를 이송·이식할 소형 로봇을 처음으로 개발했다.

디지스트(DGIST·대구경북과학기술원) 최홍수 로봇공학전공 교수팀은 다양한 체내외 환경에서 줄기세포를 정밀하게 전달하고 이식할 수 있는 마이크로로봇을 개발했다고 9일 밝혔다.

연구진은 외부 무선 자기장을 이용해 체내에서 구동이 가능하도록 제작된 3차원 구조물에 자성물질 및 생체적합 물질을 코팅했다. 

이로써 정확한 양의 줄기세포 기반 치료세포를 신체조직 및 장기에 정밀하게 이식, 알츠하이머 등 퇴행성 신경계질환 치료 효율과 안전성을 높일 것으로 기대된다.

연구결과(논문명 “Magnetically actuated microrobots as a platform for stem cell transplantation”)는 사이언스(Science) 자매지이자 로봇연구 최고 학술지로 꼽히는 ‘사이언스 로보틱스(Science Robotics)’ 5월 30일자에 실렸다.

스캐폴드(Scaffold) 마이크로로봇 이미지 (구형(Spherical)(좌), 나선형(Helical)(우)) [자료=디지스트]

연구진에 따르면 줄기세포치료는 난치성질환 치료를 위한 재생의학으로 각광받고 있는 치료방법이다. 하지만 치료가 필요한 부위가 체내 깊숙한 곳이거나 주입시 위험이 따르는 부위에 정확한 양의 줄기세포를 원하는 곳에 이송이 어렵다는 단점이 있다.

특히 체내 줄기세포 전달 과정에서 유실량이 많아 치료 효율 및 안전성이 낮다는 점과 치료비용이 높다는 점이 한계로 지적돼 왔다.

이에 연구진은 외부자기장을 이용한 무선제어방식으로 체내에서 세포 유실량을 최소화하면서 줄기세포를 빠르고 정밀하게 이송할 수 있는 기술을 개발했다.

연구진은 미세전자기계시스템(MEMS) 기술을 기반으로 한 3차원 레이저 리소그라피 공정을 통해 마이크로(μm: 10-6 m) 사이즈의 초미세 3차원 구조물을 구현했다.

연구팀의 마이크로로봇은 생리학적 환경에서 높은 추진효율을 가질 수 있도록 구형 및 나선형으로 디자인됐으며, 세포 지지체 및 세포 캐리어 역할을 위해 스캐폴드(Scaffold) 형태로 제작됐다.

구형, 나선형 스캐폴드 마이크로로봇은 회전 자기장(Rotating magnetic field)을 통해 각각 롤링(Rolling) 및 코크스크류(Corkscrew) 모션을 통해 생리학적 환경에서 정밀 위치 제어가 가능, 세포를 효율적으로 전달할 수 있다.

구형, 나선형 스케폴드 마이크로로봇에 해마 신경 줄기세포(Hippocampal neural stem cell)를 3차원으로 배양, 마이크로로봇에 배양된 해마 신경 줄기세포를 성상교세포(Astrocyte), 희소돌기신경교(Oligodendrocyte), 뉴런(Neuron)으로 선택적 분화시키는 데 성공했다.

또한 체내 생리학적 환경을 모사한 다중장기(Multi-organ) 미세유체(Microfluidic) 세포 배양 시스템인 바디온어칩(Body-on-a-chip·BoC) 내에서 세포가 배양된 마이크로로봇을 이용해 세포 이송 및 이식을 진행했다.

그 결과 여러 장기모사조직들 중 목표한 조직으로 정확한 양의 세포를 정확하게 이송 후 선택적으로 이식하는 데 성공했다. 이를 통해 개발한 마이크로로봇의 표적세포치료(Targeted cell therapy) 가능성을 확인했다.

쥐의 내경동맥에 마이크로로봇 주입 후 대뇌동맥과 중간대뇌동맥으로 마이크로로봇을 이송한 결과(A,B,C,D)와 뇌실 내 마이크로로봇 구동 결과(E) [자료=디지스트]

아울러 사람 코에서 추출한 ‘사람 코 하비갑개 유래 줄기세포(Human nasal turbinate derived stem cells·hNTSCs)'를 마이크로로봇에 3차원으로 배양해 세포를 스페로이드(Spheroid) 형태로 만들어 생리학적 환경에서 이송이 가능하게 했다.

'hNTSCs'가 탑재된 마이크로로봇을 이용해 누드마우스 체내(in-vivo)에서 세포 이송 실험을 진행, 외부 자기장에 의해 원하는 위치로 정확하게 이동하는 데 성공했다.

따라서 이번 연구는 감염의 위험을 낮추고 회복 시간을 단축시키는 것뿐만 아니라 수술이 어려웠거나 난치병으로 알려진 뇌질환 치료에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대한다.

최 교수는 “이번 연구결과를 통해 기존의 줄기세포 치료 방법으로는 접근하기 어려웠던 알츠하이머와 같은 중추신경계 치료 효율 및 성공률을 높일 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구에는 DGIST 뇌‧인지과학전공 유성운 교수팀과 문제일 교수팀을 비롯해 서울성모병원 김성원 교수팀, 스위스취리히연방공대(ETH) 브래들리 넬슨(Nelson) 교수팀 등이 참여했다.

kimys@newspim.com