DGIST, 동물실험 없이 사람 근육 노화 연구하는 3D 조직 모델 개발

POSTECH과 공동연구… 국제학술지 표지 논문 선정
실제 사람 근육세포로 3차원 미세조직 제작
근감소증 치료제 개발 활용 기대

(왼쪽부터) DGIST 김민석 교수·양소혜 석박통합과정생, POSTECH 조동우 교수·공정식 박사. DGIST 제공

대구경북과학기술원(DGIST) 연구진이 동물실험 없이 사람의 근육 노화 과정을 재현하고 근력 저하까지 측정할 수 있는 3차원(3D) 인공 근육 조직 모델을 개발했다. 향후 노인성 근감소증의 원인을 규명하고 치료제 후보물질의 효능을 검증하는 데 활용될 것으로 기대된다.

DGIST는 뉴바이올로지학과 김민석 교수 연구팀이 포항공과대학교(POSTECH) 기계공학과 조동우 교수 연구팀과 공동으로 사람 골격근의 노화에 따른 변화와 근육 수축 기능을 동시에 평가할 수 있는 '생체모사 3차원 골격근 미세조직 모델'을 개발했다고 5일 밝혔다.

골격근은 뼈에 붙어 신체 움직임을 담당하는 근육으로, 신체 대사 조절에도 중요한 역할을 한다. 노화로 근육량과 근력이 감소하는 근감소증은 노년층의 신체활동 능력과 삶의 질을 떨어뜨리는 주요 원인 중 하나다.

그러나 기존 동물실험은 사람과 동물 간 생물학적 차이로 인해 연구 결과를 사람에게 그대로 적용하기 어렵다는 한계가 있었다. 평면 배양접시에서 세포를 키우는 기존 2차원 배양 방식 역시 실제 근육의 입체적인 구조와 수축 기능을 재현하는 데 제약이 있었다.

공동 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 17세와 68세 남성 기증자로부터 확보한 근육세포를 활용했다. 세포에 근육 조직의 뼈대 역할을 하는 생체물질을 혼합한 뒤, 3D 프린팅으로 제작한 미세한 틀에서 배양해 실제 근육처럼 세포가 한 방향으로 정렬된 입체 조직을 구현했다.

연구팀이 두 조직을 비교한 결과, 68세 기증자의 세포로 만든 조직은 17세 기증자의 조직보다 근육 섬유가 가늘고 세포 간 융합 정도가 낮았다. 염증 관련 지표는 높았으며, 세포 내 에너지 생산을 담당하는 미토콘드리아의 기능도 저하된 것으로 나타났다.

특히 근육 수축을 유도하는 칼슘 반응이 느려지고, 전기 자극을 가했을 때 발생하는 수축력도 크게 감소했다. 연구팀은 이를 통해 사람의 근육 노화에 따른 세포·분자 수준의 변화뿐 아니라 실제 근육 기능 저하까지 하나의 3차원 조직 모델에서 확인할 수 있었다.

이번 기술은 근육의 형태와 유전자 변화 등을 관찰하는 데 그치지 않고 실제 수축력을 정량적으로 평가할 수 있다는 점에서 의미가 있다. 미국 식품의약국(FDA) 등에서 비동물 시험법의 활용을 확대하는 흐름에 따라 향후 근감소증 치료제 개발을 위한 비임상 연구 플랫폼으로 활용될 가능성도 있다.

김민석 DGIST 뉴바이올로지학과 교수는 "사람 유래 세포를 이용해 노화 관련 변화를 구현하고, 세포 수준의 변화와 실제 수축 기능을 함께 평가할 수 있는 기반을 마련했다는 데 의미가 있다"며 "향후 근육 노화의 원인을 밝히고 치료 후보물질의 효능을 검증하는 연구 도구로 발전시키겠다"고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, DGIST 뉴바이올로지학과 양소혜 석박사통합과정생과 POSTECH 기계공학과 공정식 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 '스몰 사이언스(Small Science)'의 표지 논문으로 선정됐다.