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허혈성 심장질환은 유병률과 사망율이 가장 높은 질환으로서, 2015년 국내 통계청 발표에는 심장질환이 사망원인 2위로 보고되어 있으며, 병태생리학적으로 동일한 질환 군인 뇌혈관 질환은 사망원인 3위로 보고되어 있다. 허혈성 심장질환은 혈관개통과 심근재형성 억제 및 경색 후 적극적인 약물치료에도 불구하고 5년 생존률이 50% 정도 밖에 미치지 못한다. 특히 중증의 말기 심부전 환자는 심장이식술이나 가교적 치료법인 기계적 좌심실 보조장치 이외에는 완치법이 없는 상태이며, 심장이식술의 경우 공여장기 부족, 장기확보의 어려움, 높은 사망률, 고가의 치료비용 등의 문제점을 가지고 있으므로 좀 더 적극적이고 첨단화된 치료법 개발이 시급한 실정이다.
줄기세포는 다양한 조직세포로 분화될 수 있으므로, 손상된 각종 장기의 기능을 근본적으로 재생 및 치료 가능하게 하여, 과거의 약물/이식 등의 치료법으로 완치가 불가능한 난치성 심장질환 환자들에게 근본적으로 새로운 치료기회를 부여할 것으로 기대할 수 있다. 그러나 심근재생을 위한 기존 줄기세포 치료제는 제한된 분화 능력과 낮은 효력, 조직에 직접 투여함으로써 손상된 조직의 척박한 미세 환경으로 인한 미약한 호밍 효과, 체내 생착, 증식 및 분화의 효율성이 낮은 문제가 있다. 따라서 안전성과 유효성이 검증된 고효율의 줄기세포주 확보 및 줄기세포의 생착률과 증식 및 분화율을 개선시킬 수 있는 효율적인 세포전달 기술개발이 절실히 필요하다.
그림 1. 세포외기질 바이오잉크를 이용한 세포프린팅 기반 줄기세포 탑재 3차원 구조체 개발
본 연구는 돼지의 심장조직에서 유래한 세포외기질을 바이오잉크로 이용하여, 심장조직의 미세환경을 구현 함으로서 구조체 내의 세포 생존 및 생착률을 증가시키고 경색부위로의 세포전달 효율을 높였다. 또한 3D 바이오프린팅 기술을 이용하여 두가지 이상의 세포를 조직학적 구조와 유사하게 패턴화 함으로서 구조체 내 혈관화를 촉진하고 세포-세포 간 상호작용을 활성화시켜 기능성 조직을 형성하는데 크게 기여할 수 있도록 설계하였다. 특히 세포성분으로서 심근생성을 위한 c-kit+ 심장전구세포와 혈관생성을 위한 중간엽 줄기세포를 직접 프린팅 함으로서 심장재생효과를 극대화 하였다.
유효성 검증을 위한 심근경색 동물모델을 이용한 전임상 시험에서, c-kit+/MSC을 바이오프린팅한 3차원 구조체 군에서 대조군 및 c-kit+ 혹은 MSC 단독군과 비교하여 심초음파 상 8주까지 심구혈률이 유지되는 것을 확인하였으며, 조직학적 분석에서 섬유화 백분율의 현저한 감소 및 모세혈관밀도의 증가를 관찰할 수 있었다. 또한 일부 3차원 구조체 내 세포들이 경색부위로 이동하여 혈관형성에 관여하였으며, 유사 심근세포로 분화하는 것을 확인하였다. 결론적으로 바이오프린팅 기술을 이용한 줄기세포 탑재 3차원 구조체 (심장패치) 개발은 기존에 수행되어 온 혈관을 통한 줄기세포 주입법이나 괴사한 심근에 직접 줄기세포를 이식하는 방법들이 가지는 한계점, 즉 세포생존 및 생착률 저하 등의 문제들을 극복할 수 있는 차세대 줄기세포 치료제 플랫폼으로 활용될 수 있을 것으로 보인다.
그림 2. 세포프린팅 기반 줄기세포 탑재 3차원 구조체의 심장재생효과 분석
