[경제일보] 칩에서 키운 사람 근육에 운동신경을 연결하고 일주일간 하루 한 번씩 자극하자 근섬유가 굵어졌다. 인슐린을 줬을 때 근육이 흡수한 포도당도 늘었다. 운동을 반복할 때 나타나는 근육의 적응 반응 일부를 사람 세포로 재현한 결과다.
한국과학기술연구원(KIST)은 김지훈 생체분자인식연구센터 선임연구원팀이 손장원 가톨릭대 부천성모병원 교수팀, 정석 고려대 교수팀과 함께 사람의 근육세포·운동신경·혈관내피세포를 한 칩에서 배양하는 모델을 개발했다고 11일 밝혔다. 연구 결과는 지난 9월 4일 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 온라인 공개됐다.
연구팀은 칩 가운데에 3차원 근육 조직을 만들고, 옆 공간에서 자란 운동신경의 가지가 미세 통로를 지나 근육에 닿도록 설계했다. 운동신경이 있는 구역에 신호 전달 물질인 L-글루탐산을 넣어 신경을 자극했다. 자극 물질의 농도와 투여 간격을 바꾸면서 근육이 어떻게 적응하는지 관찰할 수 있는 구조다.
반복 자극을 받은 근육은 근섬유의 평균 지름이 소폭 늘고 에너지 대사에 관여하는 유전자 발현이 증가했다. 이후 자극에 근섬유 일부가 짧게 수축하는 반응도 더 자주 나타났다. 고농도 포도당 배양액에 노출한 별도 실험에서는 산화 스트레스가 커지고 미토콘드리아의 에너지 생산과 관련된 지표가 낮아졌다. 연구팀은 강한 대사 스트레스를 유도하기 위해 임상에서 통상 관찰되는 혈당 범위보다 높은 포도당 농도를 썼다.
혈관 안쪽을 이루는 내피세포를 함께 배양하자 운동신경의 칼슘 신호가 더 크고 잦아졌고, 자극에 대한 근육의 칼슘 신호도 커졌다. 내피세포는 근육 주변에 그물망을 형성했다. 이 단계에서 확인한 것은 혈관세포가 신경과 근육의 반응에 미치는 영향이며, 혈액이 흐르는 구조의 구현은 후속 과제로 남았다.
한편 연구팀은 신약 후보물질을 투여하거나 재활 자극의 간격을 바꿨을 때 사람 근육이 어떻게 반응하는지 비교하는 데 이 칩을 활용할 계획이다. 미국 식품의약국(FDA)도 지난 9월 충분히 검증된 장기 칩 등을 의약품의 비임상 안전성 평가에 활용할 수 있다고 밝혔다. 근육 칩을 실제 평가에 쓰려면 환자 유래 세포에서도 실험 결과를 재현하고, 칩에서 관찰한 약물 반응이 환자의 반응과 얼마나 일치하는지를 검증해야 한다.
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