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2024-11-25 (월)

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[퓨처 Eyes(49)] 신개념 하이드로겔, 초기 관절염 치료 및 진행 억제 가능성 제시

중국 과학자들이 관절염 치료의 새로운 지평을 열 혁신적인 생체 재료 개발에 성공했다. 이번 연구는 퇴행성 관절염으로 고통받는 전 세계 수억 명 환자들에게 새로운 희망을 제시할 것으로 기대된다. 관절염은 뼈 사이의 완충 역할을 하는 연골이 점차 파괴되면서 발생하는 질환이다. 연골 손상은 윤활 감소와 마찰 증가를 초래하여 결국 관절에 돌이킬 수 없는 손상을 입힌다. 특히 성인의 연골은 자연적으로 치유되지 않아 치료가 어려운 난제로 꼽혀왔다. 관절염, 삶의 질 저하시키는 질환 세계보건기구(WHO)에 따르면, 전 세계 관절염 환자 수는 꾸준히 증가하여 1990년부터 2019년까지 113% 증가한 5억 2800만 명에 달한다. 인구 고령화와 현대인의 생활 방식 변화가 관절염 증가세를 부추기고 있다. 국내에서도 관절염 문제는 심각하다. 국민건강보험공단 통계에 따르면, 무릎 관절염 환자 수는 지난해 기준 4년간 6.7% 증가했다. 특히 60대 이상 노년층에서 무릎 관절염 발병률이 높게 나타났다. 무릎 관절염은 초기에는 간헐적인 통증으로 시작되지만, 방치할 경우 심각한 통증, 다리 변형, 보행 장애까지 이어질 수 있다. 손상된 연골, 정밀하게 치료한다 이번에 중국 연구팀이 개발한 기술은 '하이드로겔 마이크로스피어(HMS)'와 항체를 결합하여 연골 윤활을 회복시키는 획기적인 치료법이다. 홍콩 매체 사우스차이나 모닝 포스트(SCMP)에 따르면 상하이 고등 연구소와 창사 샹야 국립 병원 연구팀은 손상된 조직 복구에 널리 사용되는 '하이드로겔 마이크로스피어'를 활용하여 관절염 치료의 새로운 접근법을 제시했다. 이번 연구 결과는 첨단 소재 분야 학술지 '어드밴스트 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 게재됐다. 이 혁신적인 마이크로스피어는 천연 단백질에서 추출한 젤라틴 메타크릴레이트와 합성 고분자인 폴리(설포베타인 메타크릴레이트)를 결합하여 만들어졌다. 이 두 물질의 조합은 세포 성장과 수분 공급에 이상적인 환경을 제공한다. 연구팀은 나아가 손상된 연골에 결합하고 마이크로스피어에 부착되는 표적 항체를 개발하여 치료 효과를 극대화했다. 이 새로운 치료법은 기존 생체 윤활제와 달리 염증 부위를 정확하게 표적하여 치료할 수 있다는 장점을 가진다. '하이드로겔 마이크로스피어'는 작고 균일한 구형의 하이드로겔 입자이다. 쉽게 말해, 아주 작은 크기의 물을 많이 머금을 수 있는 3차원 젤리 공을 떠올리면 된다. 크기는 일반적으로 마이크로미터(㎛) 단위로 매우 작다. 구조는 3차원 망상구조를 가진 친수성 또는 양친매성 고분자 사슬이 가교되어 형성된다. 쉽게 비유하자면, HMS는 작은 스펀지처럼 물을 흡수하여 촉촉함을 유지하고, 필요한 물질을 머금고 있다가 서서히 방출하는 역할을 한다. 이러한 특성 덕분에 약물 전달, 조직 공학, 세포 배양 등 의료 분야에서 다양하게 활용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 쥐 실험 통해 초기 골관절염 치료 효과 입증 연구팀은 개발한 생체 물질을 쥐에게 주입하여 초기 골관절염 치료 효과를 검증했다. 그 결과, 이 치료법은 골관절염 증상을 완화하고 추가적인 관절 손상을 예방하는 데 효과적인 것으로 나타났다. 특히, 새로운 생체 재료는 표준 식염수 주입과 비교했을 때 마찰을 줄이고 관절 윤활을 개선하는 측면에서 기존 치료법보다 뛰어난 성능을 보였다. 보고에 따르면 마찰 계수는 표준 식염수 주입에 비해 '3분의 1' 이상 감소했다. 이번 연구는 특히 초기 단계 관절염 치료에 대한 유망한 접근 방식을 제시한다. 표적 윤활 제공과 추가적인 관절 손상 예방을 통해 관절염 치료의 새로운 패러다임을 열 것으로 기대된다. 연구팀은 "개발된 주입형 표적 윤활 HMS와 정밀 표적 윤활 HMS는 특히 초기 단계의 골관절염 진행을 늦추는 데 유망하고 편리한 기술"이라고 강조했다. 관절염 치료의 새 지평 열리나 앞서 미국 노스웨스턴대학교 연구팀은 손상된 무릎 연골을 재생하는 새로운 생체 활성 물질을 개발하고, 양을 이용한 실험에서 성공적인 결과를 얻었다. 이 새로운 생체 재료는 연골 성장 및 유지에 필수적인 단백질인 TGFb-1에 결합하는 생체 활성 펩타이드와 연골 및 관절의 윤활 활액에 존재하는 천연 다당류인 히알루론산으로 구성되어 있다. 노스웨스턴 연구팀은 새로운 생체 재료 물질을 동물 모델인 양의 손상된 무릎 연골에 적용한 결과, 6개월 이내에 새로운 연골이 생성되는 것을 확인했다. 새로 생성된 연골은 통증 없는 기계적 탄력성을 가능하게 하는 천연 생체 고분자인 콜라겐 II와 프로테오글리칸을 포함하고 있었다. 해당 연구 결과는 미국 국립과학원회보(PNAS)에 게재됐다. 관절은 일단 망가지면 자연적으로 재생되지 않아 그동안 치료의 한계가 있었다. 그러나 이처럼 연골을 재생시키기 위한 전 세계 과학자들의 노력이 합쳐지면 관절염 치료를 더욱 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
- 포커스온
2024-09-05
[신소재 신기술(91)] 노스웨스턴대 연구팀, 연골 재생 신소재 개발 성공

연골을 성공적으로 재생하는 새로운 생리활성 소재가 개발됐다. 미국 노스웨스턴 대학교 연구팀은 손상된 무릎 연골을 재생하는 새로운 생체 활성 물질을 개발하고, 대형 동물 모델을 이용한 실험에서 성공적인 결과를 얻었다고 메디컬 익스프레스가 전했다. 위의 사진에 보이는 것처럼 연구팀이 개발한 물질은 젤리처럼 보이지만, 실제로는 연골의 자연 환경을 모방하는 복잡한 분자 구성 요소들로 이루어진 네트워크다. 나노섬유는 분홍색, 히알루론산은 보라색으로 표시되어 있다. 연구팀은 새로운 생체 재료 물질을 동물 모델인 양의 손상된 무릎 연골에 적용한 결과, 6개월 이내에 새로운 연골이 생성되는 것을 확인했다. 새로 생성된 연골은 통증 없는 기계적 탄력성을 가능하게 하는 천연 생체 고분자인 콜라겐 II와 프로테오글리칸을 포함하고 있었다. 팀은 이번 연구 결과가 앞으로 무릎 전치환술을 예방하고, 골관절염과 같은 퇴행성 질환이나 스포츠 관련 부상 치료에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 해당 연구 결과는 미국 국립과학원회보(PNAS)에 게재됐다. 연골 재생 복구 유도 기대 연구를 이끈 노스웨스턴 대학교의 사무엘 스텁 교수는 "연골은 우리 관절의 중요한 구성 요소"라며 "연골이 손상되거나 시간이 지남에 따라 분해되면 사람들의 전반적인 건강과 이동성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 문제는 성인의 연골은 자연적으로 치유되는 능력이 없다는 것이다. 우리의 새로운 치료법은 자연적으로 재생되지 않는 조직의 복구를 유도할 수 있다"고 말했다. 이번 연구는 스텁 교수 연구팀이 최근 발표한 '춤추는 분자'를 사용해 인간 연골 세포를 활성화시키고 조직 매트릭스를 구축하는 단백질 생산을 촉진하는 연구 결과에 이어 진행됐다. 새로운 연구에서는 '춤추는 분자' 대신 스텁 교수 연구실에서 개발된 하이브리드 생체 재료를 사용했다. 이 새로운 생체 재료는 연골 성장 및 유지에 필수적인 단백질인 TGFb-1에 결합하는 생체 활성 펩타이드와 연골 및 관절의 윤활 활액에 존재하는 천연 다당류인 히알루론산으로 구성되어 있다. 스텁 교수 연구팀은 생체 활성 펩타이드와 화학적으로 변형된 히알루론산 입자를 통합하여 나노 섬유가 연골의 자연 구조를 모방하는 다발로 자가 조직화되도록 유도했다. 목표는 신체 자체 세포가 연골 조직을 재생할 수 있도록 매력적인 골격을 만드는 것이었다. 나노 섬유의 생체 활성 신호를 사용하여 이 물질은 비계를 채우는 세포에 의한 연골 복구를 촉진한다. 슬개골 결함 있는 양 실험 연구팀은 이 물질의 연골 성장 촉진 효과를 평가하기 위해 슬개골에 연골 결함이 있는 양을 대상으로 실험했다. 양의 슬개골은 인간의 무릎과 유사한 복잡한 관절이다. 스텁 교수에 따르면 양 모델 실험은 매우 중요하다. 양의 연골은 인간과 마찬가지로 완고하고 재생하기가 매우 어렵다. 양의 슬개골과 인간의 무릎은 또한 체중 부하, 크기 및 기계적 부하와 유사하다. 이 연구에서 연구진은 걸쭉한 페이스트 같은 물질을 연골의 결함 부위에 주입했고, 이 물질은 고무 같은 매트릭스로 변형됐다. 스캐폴드(Scaffold)가 분해되면서 결함 부위를 채우기 위해 새로운 연골이 자랐을 뿐만 아니라 복구된 조직은 대조군에 비해 품질이 지속적으로 더 높았다. 스텁 교수는 미래에 이 새로운 물질이 개방형 관절 수술 또는 관절경 수술에 적용될 수 있다고 예상한다. 현재 표준 치료법은 미세 골절 수술로, 외과의사가 기저 뼈에 작은 골절을 만들어 새로운 연골 성장을 유도하는 것이다. 스텁 교수는 "미세 골절 접근 방식의 주요 문제점은 기능적인 관절을 위해 필요한 히알라인(유리질) 연골이 아니라 귀에 있는 연골과 같은 섬유 연골이 형성되는 경우가 많다는 것이다. 유리질 연골을 재생함으로써 우리의 접근 방식은 마모에 대한 저항력을 높여야 하며, 장기적으로 이동성 저하와 관절 통증 문제를 해결하고 동시에 대형 하드웨어를 사용한 관절 재건 필요성을 피할 수 있어야 한다"고 말했다.
- 포커스온
2024-08-07
[신소재 신기술(69)] AI, 당 분석으로 암 조기 진단 새지평 열다

스웨덴 예테보리 대학교 연구원들이 당 분석을 통해 암 발견 가능성을 획기적으로 높인 인공지능(AI) 모델을 개발했다. 세포 내 당 분자 구조인 글리칸을 활용하는 이 AI 모델은 현재의 반수동 방식보다 빠르고 정확하게 암 관련 이상을 감지한다고 메디컬 익스프레스가 지난 1일(현지시간) 보도했다. 글리칸(Glycan)은 탄수화물의 일종으로 당 분자(단당류)들이 사슬처럼 연결되어 있는 중합체다. 글리칸은 다양한 생물학적 기능을 수행하는데, 특히 세포 표면에 존재하는 당단백질이나 당지질의 구성 성분으로 매우 중요하다. 글리칸은 질량 분석법으로 측정 가능하며, 암의 종류를 나타내는 지표로 활용될 수 있다. 암 세포는 다른 글리칸 패턴을 가지고 있기 때문에 글리칸 분석은 암 진단 및 치료에 활용될 수 있다. 그러나 질량 분석 데이터는 글리칸 조각으로부터 구조를 파악하기 위해 전문가의 세심한 분석이 필요하며, 샘플 당 수 시간에서 수 일이 소요될 수 있다. 샘플 분석 작업은 마치 수년간의 경험을 통해 습득된 탐정 작업과 유사하기 때문이다. 따라서 수많은 샘플을 분석해야 하는 암 진단 등 글리칸 분석 활용에 있어 이 과정은 종종 병목 현상을 초래했다. 이에 예테보리 대학 연구팀은 샘플 분석 작업을 자동화하는 AI 모델인 '캔디크런치(Candycrunch)'를 개발했다. 이 모델은 테스트당 불과 몇 초만에 분석 작업을 해결하는 것으로 확인됐다. 연구 결과는 '네이처 메소드(Nature Methods)' 저널에 게재됐다. AI 모델 캔디크런치는 50만 개 이상의 다양한 조각화 및 관련 당 분자 구조 예시 데이터베이스를 통해 훈련됐다. 예테보리 대학교의 다니엘 보야르(Daniel Bojar) 생물정보학 부교수는 "캔디크런치는 샘플 내 정확한 당 구조를 90% 정도 계산할 수 있다"고 밝혔다. 이는 곧 AI 모델이 DNA, RNA 또는 단백질과 같은 다른 생물학적 서열 분석과 동일한 수준의 정확도에 도달할 수 있음을 의미한다. 이 AI 모델은 빠르고 정확안 답변을 제공하기 때문에 암 진단과 예후를 위한 글리칸 기반 바이오마커 발견을 더욱 가속화할 수 있다. 보야르 교수는 "가장 큰 병목 현상을 자동화함으로써 글리칸 분석이 생물학 및 임상 연구에서 더 큰 역할을 할 것으로 기대한다"고 말했다. AI 모델인 캔디크런치는 농도가 낮아 사람들이 분석할 때 놓치기 쉬운 구조도 식별할 수 있어 새로운 글리칸 기반 바이오마커 발견에 도움을 줄 수 있다는 평가다.
- 포커스온
2024-07-03