심장 근육에 나선형 구조를 재현하다

 

주요 사망 원인 중 하나인 심장병은 다른 장기와 달리, 심장이 부상 후 스스로 복구할 수 없기 때문에 부분적으로 매우 치명적입니다. 이것이 궁극적으로 이식을 위해 인간의 심장 전체의 도매 제작을 포함하여 조직 공학이 심장 의학의 미래에 매우 중요한 이유입니다.

인간의 심장을 구축하기 위해 연구자들은 심장을 구성하는 독특한 구조를 복제해야 합니다. 여기에는 심장 박동에 따라 비틀림 동작을 생성하는 나선형 형상을 재현하는 것이 포함되는데요. 이 비틀림 동작이 많은 양의 혈액을 펌핑하는 데 중요하다는 이론이 오랫동안 제기되어 왔지만, 부분적으로 다른 기하학적 구조와 정렬로 심장을 만드는 것이 어려웠기 때문에 이를 증명하는 것이 어려웠습니다.

하지만 이제 Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences(SEAS)의 생명공학자들은 나선형으로 정렬된 박동 심장 세포를 가진 인간 심실의 최초의 바이오하이브리드 모델을 개발했고, 실제로 심실이 수축할 때마다 혈액을 펌핑할 수 있습니다.

이러한 발전은 새로운 적층 섬유 제조 방법인 Focused Rotary Jet Spinning(FRJS)을 사용하여 가능했으며, 이는 수 마이크로미터에서 수백 나노미터 범위의 직경을 갖는 나선형으로 정렬된 섬유의 높은 처리량 제조를 가능케 했습니다. Kit Parker's Disease Biophysics Group이 SEAS에서 개발한 FRJS 섬유는 세포 정렬을 지시하여 제어된 조직 공학 구조의 형성을 가능케 합니다.

 

 

이 연구는 장기 생체 제작을 위한 주요 단계로 이식을 위한 인간 심장을 구축하려는 궁극적인 목표에 더 가까이 다가갈 수 있도록 합니다. 이는 사실 수세기 전의 신비에 뿌리를 두고 있습니다. 1669년 한 영국 의사 Richard Lower(동료 중에는 John Lock, 환자 중에는 Charles 2세까지 포함)는 그의 저서 Tractatus de Corde에서 심장 근육이 나선형으로 배열되어 있음을 처음으로 기록했습니다.

다음 3세기 동안 의사와 과학자들은 심장 구조에 대한 보다 포괄적인 이해를 구축했지만 나선형 근육의 목적은 여전히 연구하기가 매우 어려웠습니다. 1969년, 앨라배마 대학교 버밍엄 의과대학 생물수학과의 전 의장인인 에드워드 살린은 심장의 나선형 정렬이 큰 박출률을 달성하는 데 중요하다고 주장한 적이 있습니다.

논문의 공동 제1저자인 동시에 SEAS의 박사후 연구원인 John Zimmerman은 이렇게 말했습니다. "우리의 목표는 Sallin의 가설을 테스트하고 심장의 나선형 구조의 상대적 중요성을 연구할 수 있는 모델을 구축하는 것입니다."
Sallin의 이론을 테스트하기 위해 SEAS 연구원들은 FRJS 시스템을 활용하여 심장 세포가 성장할 수 있는 방사 섬유의 정렬을 제어했습니다.

FRJS의 첫 번째 단계는 솜사탕 기계처럼 작동합니다. 액체 폴리머 용액을 저장소에 넣고 장치가 회전할 때 원심력에 의해 작은 구멍을 통해 밀어냅니다. 용액이 저장소를 떠날 때 용매가 증발하고 중합체가 응고되어 섬유를 형성하는데요. 그런 다음, 집속된 기류는 수집기에 증착될 때 섬유의 방향을 제어합니다. 이 수집기를 기울이고 회전시키면 스트림의 섬유가 심장 근육의 나선형 구조를 모방하여 회전할 때 수집기 주위에 정렬되고 비틀리는 것을 발견할 수 있습니다.

 

인간의 심장은 실제로 서로 다른 정렬 각도로 나선형으로 정렬된 여러 층의 근육을 가지고 있습니다. 이 때 FRJS를 사용하면 단일 또는 4개의 방이 있는 심실 구조를 형성하여 복잡한 구조를 매우 정확한 방식으로 재현할 수 있습니다.

기능이 작아질수록 속도가 느려지는 3D 프린팅과 달리, FRJS는 단일 미크론 규모 또는 머리카락 하나보다 약 50배 작은 섬유를 빠르게 회전할 수 있습니다. 이것은 처음부터 심장을 구축할 때 중요합니다. 직경이 1마이크론인 심장의 세포 외 기질 단백질인 콜라겐을 예로 들 수 있습니다. 이 해상도에서 인간 심장의 모든 콜라겐을 3D 프린팅하려면 100년 이상이 걸립니다. 그런 반면, FRJS는 하루 만에 할 수 있습니다.

회전 후, 심실에 랫트 심근세포 또는 인간 줄기세포 유래 심근세포를 접종하였습니다. 약 1주일 이내에, 박동하는 조직의 여러 얇은 층이 스캐폴드를 덮었고, 세포는 아래에 있는 섬유의 정렬을 따랐습니다. 박동하는 심실은 인간의 심장에 존재하는 것과 동일한 비틀림 동작을 모방했습니다.

연구원들은 나선형으로 정렬된 섬유로 만든 심실과 원주로 정렬된 섬유로 만든 심실 사이의 심실 변형, 전기 신호 속도 및 박출률을 비교해 보았습니다. 그들은 모든 면에서 나선형으로 정렬된 조직이 원주로 정렬된 조직을 능가한다는 사실을 발견했습니다.

2003년부터 연구팀에서는 심장의 구조-기능 관계와 질병이 이러한 관계를 병리학적으로 손상시키는 방법을 이해하기 위해 노력했습니다. 심장의 층류 구조의 나선형 구조에 대한 테스트되지 않은 관찰을 다루기 위해 돌아갔습니다. 다행히도 반세기 전에 이론적인 예측을 발표했고, 새로운 제조 플랫폼을 구축할 수 있었습니다. 이는 가설을 시험하고 수세기 전에 제기된 질문에 답할 수 있게 해주었답니다.

또한, 이 과정이 실제 인간의 심장 크기까지 확장될 수 있고 심지어 밍크 고래 심장의 크기까지 확장될 수 있음을 보여주었습니다.