코를 통해 뇌-신경계 질환치료가 가능한 마이크로로봇 개발
DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수팀이 DGIST-ETH 마이크로로봇 연구센터 김진영 선임연구원, 가톨릭대학교 서울성모병원 김성원 교수팀과 공동연구를 통해 줄기세포 치료 효율과 안전성을 향상시킬 수 있는 ‘사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇 및 후각경로를 통한 최소 침습 뇌 내 치료제 전달방법’을 개발했다. 또한 혈액-뇌 장벽(Blood-Brain Barrier)을 우회하는 후각경로를 통해 개발한 줄기세포 기반 마이크로로봇을 뇌에 생착시키는데도 성공했다. 이번 연구는 기존 수술보다 효과적이고 안전해, 향후 알츠하이머병, 파킨슨병, 뇌종양 등 다양한 난치성 신경계 질환 치료 가능성을 높일 것으로 기대된다.
줄기세포 치료는 체내 깊숙한 곳의 환부나 치료가 위험한 신체부위에 정확한 양을 정확한 위치에 줄기세포를 전달하기 어려운 한계가 있다. 또한 전달 도중 체내 유실되는 양이 많아 치료 효율성과 안전성이 낮고, 그에 비해 치료비용이 비싼 단점도 있다. 특히, 혈액을 통해 뇌 속으로 줄기세포를 전달할 때, 뇌혈관의 특수한 부분인 ‘혈액-뇌 장벽’ 때문에 세포전달 효율이 떨어지기도 한다.
이에 DGIST 연구팀과 서울성모병원 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 외부 자기장을 이용, 사람 몸속에서 자유자재로 제어가 가능한 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇을 개발했다. 이 때 연구팀은 생체적합성이 높고 초상자성을 가지는 산화철 나노입자(Iron oxide nanoparticles)를 사람 코 하비갑개에서 추출한 줄기세포에 내재화시켜 마이크로로봇을 제작했다.
사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇은 외부 회전 자기장에 의한 회전구름운동(Rolling motion)과 자기장 구배에 의한 병진운동(Translational motion)을 할 수 있어 체내 다양한 생리학적 환경에서 효율적으로 이동이 가능하다. 따라서 외부 자기장을 이용해 마이크로로봇을 미세유체채널 내에서 무선으로 제어, 목표지점까지 빠르고 정확하게 이송할 수 있다.
또한, 연구팀은 새롭게 개발한 마이크로로봇의 안정적인 뇌 조직 생착 여부도 연구를 통해 검증했다. 특히, 연구팀은 세계 최초로 쥐의 혈액-뇌장벽을 우회한 후각경로를 통해 개발한 마이크로로봇을 주입, 외부에서 자기장을 이용해 뇌 조직 내 마이크로로봇을 이동시켜 대뇌 피질(Cerebral cortex)에 정밀하게 도달해 생착시키는데 성공했다.
DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수는 “이번 연구는 혈액-뇌 장벽 때문에 뇌 조직 내 치료제 전달이 어렵던 한계를 극복한 연구”라며 “후각경로를 통해 새롭게 개발한 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇을 이동시키기 때문에 줄기세포의 정밀하고 안전한 전달이 가능하다는 점에서 알츠하이머병, 파킨슨병, 뇌종양 등 다양한 난치성 신경계 질환 치료에 새로운 가능성을 열었다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부의, 보건복지부 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 국제과학학술지인 ‘Advanced Healthcare Materials (JCR IF 9.933, 분야상위 8.333%)’에 10월 6일(수) 게재됐다.
연 구 결 과 개 요
A magnetically powered stem cell-based microrobot for minimally invasive stem cell delivery via the intranasal pathway in a mouse brain(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202100801)
Sungwoong Jeon, Sun Hwa Park, Eunhee Kim, Jin-young Kim, Sung Won Kim, Hongsoo Choi
(Advanced Healthcare Materials, October 6th, 2021)
뛰어난 생체적합성(Biocompatibility)과 초상자성(Superparamagnetism)을 가지는 산화철 나노입자(Iron oxide nanoparticle)에 천연고분자 L-라이신(Poly-L-lysine, PLL)을 코팅하고 이를 사람 코 하비갑개 유래 줄기세포(Human nasal turbinate derived stem cells, hNTSCs)에 내재화(Internalization)하여 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇을 제작하였다. 사람 코 하비갑개 유래 줄기세포는 사람의 비염수술과정에서 폐기되는 하비갑개 조직을 통해 얻을 수 있어 공급이 원활하여 사용의 편리성과 경제적인 이점을 가질 뿐만 아니라 골세포, 연골세포, 신경세포 등 다양한 세포로 분화가 가능한 성체줄기세포이다.
투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)을 이용해 개발한 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇의 단면을 관찰한 결과 줄기세포 내 산화철 나노입자가 내재화된 것을 확인하였으며, 진동시료자력계(Vibrating Sample Magnetometer, VSM)을 이용해 자화를 측정한 결과 산화철 나노입자와 같이 초상자성을 보이는 것을 확인하였다.
사람 코 하비갑개 유래 줄기세포에 대한 천연고분자 L-라이신이 코팅된 산화철 나노입자의 생체적합성을 확인하기 위해 세포생존율 분석을 진행한 결과 높은 생체적합성을 보였다. 유세포분석(Fluorescence activated cell sorting, FACS)을 통해 개발된 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇을 분석한 결과 산화철 나노입자 내재화 이후에도 줄기세포 특성을 유지하고 있음을 확인하였다. 또한 개발된 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇을 뉴런(Neuron)으로 성공적으로 분화시켜 신경계 질환 치료에 활용될 수 있는 가능성도 함께 보였다.
외부 자기장을 이용해 미세유체채널(Microfluidic channel) 내에 삽입된 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇의 위치를 정밀하게 제어하였다. 회전자기장(Rotating magnetic field)을 이용해 마이크로로봇은 회전구름운동(Rolling motion) 및 자기장 구배(Magnetic field gradient)를 이용한 병진운동(Translational motion)으로 제어되었다. 미세유체채널 내에서 무선으로 마이크로로봇의 위치 및 방향을 정밀하게 제어하여 원하는 위치까지 이송하였으며, 이송된 로봇이 생착되는 결과까지 성공적으로 보였다.
본 실험에서는 배아 쥐(Rat embryo) 뇌를 이용해 마이크로 뇌 오가노이드(Micro-brain organoid)를 제작하였다. 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇은 제작된 뇌 오가노이드에 성공적으로 생착 하였으며, 연구팀은 생착된 로봇을 형광 분석을 통해 검증하였다.
혈액뇌장벽을 우회하여 뇌 내로 치료제를 전달할 수 있는 후각경로를 통해 개발한 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇을 쥐(Mouse) 뇌 내에 주입하였다. 또한 외부 자기장을 이용해 뇌 조직 내에서 마이크로로봇을 이송시켰으며, 그 결과 대뇌 피질(cerebral cortex)에 정밀하고 안전하게 도달할 수 있으며, 도달한 뇌 조직에 생착한 것을 확인하였다.
뇌의 특수한 혈관 특성인 혈액뇌장벽에 의해 치료제 전달에 한계가 있었던 기존 연구결과들에 비해 본 연구에서 제안한 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇은 후각경로를 통해 최소침습적으로 뇌 내로 안전하고 효율적으로 전달된다. 이러한 정밀하고 효율적인 뇌 내 줄기세포 전달 기술은 알츠하이머병, 파킨슨병, 뇌종양 등 다양한 난치성 신경계 질환 치료에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 무엇이 다른가
기존의 줄기세포 치료의 경우 줄기세포만을 직접 주입하는 방법으로 진행되어 왔기 때문에, 실제 치료부위에 도달하는 줄기세포 양이 적었고 동시에 유실되는 줄기세포가 많아 치료 효율이 낮았다. 뿐만 아니라 치료부위 부근에 줄기세포를 주입하기 때문에 뇌 심부와 같이 접근이 어렵고 위험한 곳의 줄기세포 치료에는 한계가 있었다. 특히 뇌는 혈액뇌장벽이라는 특수한 혈관을 형성하고 있어 다른 장기에 비해 치료제 도달이 특히 쉽지 않다. 이를 위해 본 연구팀은 외부 자기장 제어를 통해 체내에서 능동적으로 이동할 수 있는 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇을 개발하였으며, 혈액뇌장벽을 우회하는 후각경로를 통해 마이크로로봇을 뇌 내에 최소칩습 전달함을 보였다. 또한 외부 자기장을 이용해 목표하는 뇌 조직 부위에 정밀하게 이송하고 생착되는 것을 보였다. 즉, 혈액 내 유실이 없어 전달 효율이 높고 최소침습 전달을 통해 뇌 조직 손상을 최소화하여 안전하며, 무선 자기장을 이용해 전달하여 표적지향성 줄기세포 치료가 가능한 정밀의료기술이다.
어디에 쓸 수 있나
연구팀이 개발한 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇 및 후각경로를 통한 뇌 내 최소침습 마이크로로봇 전달 기술은 외부 동력원인 자기장을 이용해 뇌 조직에 안전하고 정밀하게 줄기세포를 전달할 수 있다. 사람 손으로는 도달하기 어려운 뇌 심부와 같은 곳에 줄기세포를 정밀하고 안전하게 전달할 수 있는 기술로, 뇌-신경계 질환 정밀 표적지향성 치료에 활용될 것으로 기대되며, 줄기세포 치료에 새로운 패러다임을 제공하여 기존 줄기세포 치료에 비해 치료효율과 안전성을 높이고 치료비용을 줄일 수 있을 것으로 기대한다.
실용화까지 필요한 시간은
본 연구팀은 이번 연구를 통해 다양한 체내외 환경에서 줄기세포 기반 마이크로로봇을 이용한 표적지향성 치료제 전달 가능성을 확인하였으며, 이를 바탕으로 체내에서 사용할 수 있는 마이크로의료로봇을 지속적으로 개발 할 예정이다. 사람유래 줄기세포 및 생체적합 산화철 나노입자만을 사용하여 마이크로로봇을 제작하였다는 점에 큰 의의가 있으며, 기존 폴리머 기반 마이크로로봇에 비해 빠른 실용화가 기대된다. 중·대형 동물실험 및 임상시험 등의 의료기기 인허가 단계가 남아 있으며, 대형 자기장 제어 시스템 및 시각화를 위한 의료영상 시스템 개발 등의 숙제가 남아 있다. 글로벌 공동연구를 통해 활발한 기초연구를 진행하여 상용화를 이루도록 노력할 것이다.
실용화를 위한 과제는
임상시험을 위한 대형자기장 제어 시스템 개발, 마이크로로봇 시각화를 위한 의료영상시스템 및 내비게이션 시스템, 의료기기 인허가(안전성·유효성평가, GMP생산시설 구축, 임상시험 등)을 위한 연구를 진행하고자 한다. 이를 위해 정부부처의 적극적인 지원도 희망하고 있다.
연구를 시작한 계기는
우리가 아프면 약을 먹듯, 우리 몸의 조직에 결함이 생기면 그 조직에 해당하는 줄기세포를 통해 결함이 생긴 조직을 치료할 수 있다. 조직의 결함에도 불구하고 체내에서 생성할 수 없거나 양이 부족할 경우 체내 다른 조직의 줄기세포를 추출하여 주입하거나, 다른 사람의 줄기세포를 이식받게 된다. 기존의 시술방법으로는 줄기세포를 체내에 주입할 때 매우 한정된 조직에만 주입이 가능하며, 체액을 통해 줄기세포를 결함이 생긴 부위까지 보내길 기대하지만 실제 원하는 위치까지 도달하는 줄기세포 양은 매우 제한적이다. 특히 뇌는 혈액뇌장벽이라는 특수한 혈관조직을 형성하고 있어 뇌에 치료제를 보내기 위한 연구가 꾸준히 이루어지고 있다. 따라서 줄기세포를 체내에서 유실 없이 정확한 위치에 이송할 수 있으며, 최소침습 혹은 무절개 방식으로 뇌 조직에 이송할 수 있는 최소침습 후각경로를 이용한 뇌 내 줄기세포 기반 마이크로로봇 전달 기술을 개발하였다. 또한 기존의 마이크로로봇 연구에서 보여주지 못한 다양한 생리학적 환경에서의 실험 및 뇌 내 생착 결과를 통해 마이크로로봇 임상 가능성을 보여주었다.
어떤 의미가 있는가
뇌 심부와 같이 접근이 어렵고 위험한 곳의 줄기세포 치료에는 한계가 있었다. 특히 뇌는 혈액뇌장벽이라는 특수한 혈관을 형성하고 있어 다른 장기에 비해 치료제 도달이 특히 쉽지 않다. 본 연구팀이 개발한 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇 및 후각경로를 통한 뇌 내 치료제 투여 기술의 경우 최소침습 뇌 내 이식 및 뇌 조직 내 무선 정밀 이송이 가능하다는 점에서 기존DGIST(총장 국양) 로봇공학전공 최홍수 교수팀이 DGIST-ETH 마이크로로봇 연구센터 김진영 선임연구원, 가톨릭대학교 서울성모병원 김성원 교수팀과 공동연구를 통해 줄기세포 치료 효율과 안전성을 향상시킬 수 있는 ‘사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇 및 후각경로를 통한 최소 침습 뇌 내 치료제 전달방법’을 개발했다. 또한 혈액-뇌 장벽(Blood-Brain Barrier)을 우회하는 후각경로를 통해 개발한 줄기세포 기반 마이크로로봇을 뇌에 생착시키는데도 성공했다. 이번 연구는 기존 수술보다 효과적이고 안전해, 향후 알츠하이머병, 파킨슨병, 뇌종양 등 다양한 난치성 신경계 질환 치료 가능성을 높일 것으로 기대된다.
꼭 이루고 싶은 목표는
본 연구에서는 동물실험을 통해 줄기세포 기반 마이크로로봇의 뇌-신경계 질환 치료 가능성을 보여주었다. 앞으로도 정부 부처의 적극적인 지원으로 충분한 기초연구·동물실험을 진행하고자 하며, 나아가 개발하고 있는 마이크로로봇의 임상실험을 통해 더 나은 복지를 실현하고 난치성 질환 환자들에게 새로운 희망을 전달해주고자 한다.
[그림 1] 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇 제작 및 신경세포 분화 관련
(그림설명) (a) 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇을 제작하기 위한 산화철 나노입자의 생체적합성 테스트 결과, (b) 유세포분석을 통해 마이크로로봇이 가지고 있는 줄기세포 특성 분석, (c) 사람유래 줄기세포(hNTSC)와 이를 이용해 제작된 마이크로로봇의 신경세포 분화 실험 결과.
[그림 2] 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇의 배아 쥐(Rat embryo) 마이크로 뇌 오가노이드 생착 체외 실험
[그림 3] 쥐의 후각경로로 뇌 내 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇 전달 및 이송 결과
(그림설명) (a) 후각경로를 통한 뇌 내 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇 주입(0일) 및 외부 자기장을 이용한 정밀 이송(1, 2일차) 실험에 대한 생체 내 형광 이미징 시스템 이용 분석 결과, (b) 정밀 이송(48hr)이후 적출한 뇌의 생체 내 형광 이미징 시스템 이용 분석 결과, (c) 면역형광법을 통한 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇의 대뇌 피질(Cerebral cortex)로의 정밀 이송 결과 분석.
의학약학 DGIST (2021-11-02)