3D 프린팅 기술을 활용해 대뇌의 혈관 신생을 유도하는 효과적인 약물 전달 시스템이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 

이를 활용해 향후 뇌경색 및 모야모야병 등과 같은 뇌 허혈성 질환 치료에 적용하면, 표적 부위에 적절한 용량의 약물 전달이 가능해져 시공간적 제한 없는 치료의 가능성이 열릴 전망이다. 

▲(왼쪽부터)서울대병원 신경외과 백선하 교수, 포항공대 기계공학과 김철홍 교수, 장진아 교수

서울대병원 백선하 교수·포항공대 김철홍·장진아 교수 공동 연구팀은 3D 프린팅 기술로 대뇌 혈관 신생을 유도하는 하이드로겔 패치형 약물 전달 시스템을 개발했다고 2일 밝혔다.  

혈관 신생은 다양한 혈관 신생 성장 인자들이 복합되어 여러 단계의 과정을 거쳐 혈관이 새로 생성되는 것을 의미한다. 

성숙한 뇌가 저산소증이나 허혈성 손상을 입었을 때, 대부분의 허혈성 뇌는 뇌혈류를 공급받을 수 있는 혈관 신생이 거의 이루어지지 않는다. 혈관 신생을 위해 혈관 문합술이나 측부 혈관 재생 유도 뇌 수술을 통해 뇌의 혈관 재생을 유도하지만, 이 또한 필요한 만큼의 충분한 뇌혈류를 제공하지 못하는 경우가 많다. 

이에 최근에는 혈관 신생 메커니즘을 효과적으로 조절할 수 있는 외인성 성장 인자 투여가 혈관 재생을 위한 방법으로 떠오르고 있다.

하지만 일반적으로 사용되는 정맥 주사 투여법은 목표하는 효과를 얻기 위해 고용량 혹은 반복 투여가 필요해 여러 부작용이 발생하고 효능이 저하되는 단점이 있었다.

이에 연구팀은 생리학적으로 적절한 시간과 부위에 표적화 방식으로 혈관 신생 인자를 투여해 효과적으로 혈관 신생을 유도하는 시스템 개발에 주목했다.

연구팀은 인공 조직이나 장기를 제작할 수 있는 3D 프린팅 기술을 활용해 대뇌 혈관 신생 촉진 및 혈관 신생 인자 방출량 조절 기능을 갖춘 패치형 약물 전달 시스템을 개발했다. 

이 시스템에 사용된 ‘시공간 구획화 대뇌 혈관 신생 유도 패치(SCAI)’는 생체적합성 및 생분해성 세포외 기질 기반 하이브리드 하이드로겔 잉크를 이용해 만들어졌다. 이 패치는 보다 강력한 혈관 신생을 유도하기 위해 외층(혈관내피성장인자,VEGF)과 내층(간세포성장인자,HGF)이 공간적으로 분리된 구조로 인쇄됐다.

[그림 1] 이중 화학적 가교 하이브리드 잉크를 사용한 SCAI 패치 제작 과정

연구팀은 SCAI 패치의 효과를 확인하기 위해 패치를 쥐의 대뇌 피질에 이식한 후, 광음향 현미경 시스템을 활용해 14일 동안 이식 부위 모니터링을 진행했다. 

그 결과, 패치 이식 14일 후의 혈관의 밀도가 이식 전과 비교해 약 3.3배 증가한 것으로 나타나 대뇌 혈관 신생을 촉진하는 효능이 있음이 확인됐다.

이번 연구 결과는 3D 프린팅 기술로 인쇄된 패치 개발을 통해 표적 부위에 지속적이고 순차적으로 다양한 대체 약물을 전달하는 방식이 시공간적 제한 없는 치료의 가능성을 열었다는 점에서 의미가 크다고 연구팀은 설명했다.

백선하 교수(서울대병원 신경외과)는 “이번 연구 결과가 향후 뇌경색 및 모야모야병 등과 같은 허혈성 뇌질환 치료법 개발에 활용되어 환자와 가족들에게 조금이나마 보탬이 되기를 기대한다”고 말했다.

김철홍·장진아 교수(포항공대 기계공학과)는 “이번 연구를 통해 3D 프린팅으로 제작한 혈관 생성 인자로 뇌혈관 재생이 가능함을 확인했다”며 “앞으로 본 기술이 실제 임상에 적용될 수 있기를 기대한다”고 말했다.

한편 이번 논문은 국제학술지 ‘악타 바이오머터리얼리아(Acta Biomaterialia)’ 최신호에 게재됐다.