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세계 첫 줄기세포 마이크로로봇 연골재생···비결은?

"아이디어부터 무한실험 연구원까지 논문 저자, 모두가 주인공"
마이크로로봇연구원, '스템 셀 네비게이터' 성공
산·학·연·병 협력해 동물실험으로 입증, 임상진입 박차
한국마이크로로봇연구단이 의료용 마이크로로봇을 이용, 줄기세포 기반 연골재생에 성공했다. 이번 성과는 체내형 마이크로로봇 상용화 가능성을 한걸음 앞당긴 성과로 평가된다. 사진 위 왼쪽부터 시계방향 최은표 교수, 정신구 박사(바이오트코리아), 고광준 연구원, 유아미 연구원.<사진= 한국마이크로연구단>한국마이크로로봇연구단이 의료용 마이크로로봇을 이용, 줄기세포 기반 연골재생에 성공했다. 이번 성과는 체내형 마이크로로봇 상용화 가능성을 한걸음 앞당긴 성과로 평가된다. 사진 위 왼쪽부터 시계방향 최은표 교수, 정신구 박사(바이오트코리아), 고광준 연구원, 유아미 연구원.<사진= 한국마이크로연구단>

줄기세포 마이크로로봇 원천기술 개발 2년만에 동물실험에서 연골재생에 성공했다. 무엇보다 마이크로로봇을 통한 재생효과를 세계 최초로 확인했다. 국제 학술지(사이언스 자매지 사이언스 로보틱스, IF 19.4)에도 게재됐다. 퇴행성 관절염의 진행을 늦추고 무릎인공관절 수술을 피할 수 있는 방법으로 기대되며 기업(바이오트 코리아)과 병원(전남대 병원)에서도 적극 참여하고 있다.

한국마이크로로봇연구단(단장 박종오, 이하 마이크로로봇연구단)이 줄기세포 기반 연골재생 마이크로로봇(스템 셀 네이게이터)을 이용한 연골재생에 성공하며 각계의 관심이 쏠리고 있다.

연구팀은 생분해가 가능한 다공성 마이크로구조체의 표면에 직경 1.5μm(마이크로미터, 1μm는 100만분의 1m) 자성입자를 부착, 350μm의 줄기세포 탑재용 마이크로로봇을 제작하며 연구를 성공적으로 이끌었다.

마이크로로봇연구단의 성과에는 세계 최초 수식어가 다수다. 2001년 박종오 단장이 개발한 대장내시경로봇을 시작으로 캡슐내시경, 혈관치료용 마이크로로봇, 면역세포기반 마이크로로봇 등 국내외 어느 누구도 따라올 수 없는 성과로 평가된다.

이들의 실험실이 연속해 세계 최초 성과를 내는데는 어떤 비결이 있을까.

연골재생 연구를 주도한 최은표 전남대 교수는 짧은 시간안에 성과를 낼 수 있었던 요소로 협력을 꼽았다. '서로를 인정하는 분위기'에서 아이디어가 나오고 모두가 즐겁게 연구에 몰입할 수 있었다는 것이다. 결과물의 기쁨도 함께 한다. 최 교수에 의하면 이번 논문에도 참여한 구성원 모두가 저자로 이름을 올렸다. 모두가 주인공이 됐다.

논문 저자는 제1저자 고광준 연구원(한국마이크로봇연구단, 전남대)과 정신구 박사(바이오트코리아), 공동저자는 한국마이크로로봇연구단의 강병전 연구원, 김석재 연구원, 김창세 전남대 교수, 김 티엔 응웬 연구원, 유아미 연구원, 한지원 연구원과 김진 중국신샹의대 교수, 전남대병원 정형외과의 강주연 연구원, 나주용 연구원, 서유리 연구원, 송은규 교수, 영상의학과의 정용연 교수가 있다. 교신저자는 최은표 전남대 교수(한국마이크로로봇연구단), 선종근 교수(전남대병원 정형외과), 박종오 원장 등이다.

◆ 서로 인정하는 분위기에서 협력이뤄져, 팀간 선의의 경쟁도

연구성과는 누군가의 아이디어, 연구기획, 수없이 많은 반복실험 등 각각의 역할이 필요하다. 완벽한 설계도 실제 실험에 들어가면 언제나 변수가 발생할 수 있다. 반복되는 난관은 기본이다. 어느 하나도 소홀히 볼 수 없다. 결국 연구성과는 연구참여 구성원간 협력의 결정체라 할 수 있다. 연구개발에 참여한 모두가 주인공인 셈이다.

하지만 주목받는 이는 한두명이다. 실제 성과가 나오기까지 보이지 않게 밤낮을 가리지 않고 실험에 참여하며 오차를 줄이는데 기여한 이 등 대부분 참여자의 역할은 잘 알려지지 않는게 사실이다.

최은표 교수는 2017년 마이크로로봇연구단에 합류하며 연구실 문화 만들기에 주목했다. 모두가 즐겁게 연구에 참여할 수 있도록 했으면 하는 바람에서다. 그의 소신이 알려지며 열정을 가진 연구자들이 같이하겠다고 손을 들었다. 그렇게 줄기세포 기반 연골재생 연구팀이 꾸려졌다.

한국마이크로로봇연구단의 줄기세포 기반 연골재생 마이크로로봇 연구 과정.<사진= 한국마이크로로봇연구단>한국마이크로로봇연구단의 줄기세포 기반 연골재생 마이크로로봇 연구 과정.<사진= 한국마이크로로봇연구단>

연구는 마이크로로봇 재료 선정부터 시작됐다. 인체 독성이 없고 생체에서 분해되는 재료, 거기에 구형 구조체를 만들수 있어야 한다. 특히 임상에 들어가서도 오차없는 재료가 필요했다.

최 교수는 "많은 오류과 실험 끝에 미국 FDA 승인을 받고 자성입자인 임산부용 철분 보충제를 재료로 선택할 수 있었다"면서 "하지만 구형으로 만드는 일은 또 다른 문제였다. 머리카락 세개를 합친 지름의 구형에 구멍을 송송 뚫어 줄기세포를 넣어야 했는데 단순 구형이 이를 버티지 못했다"며 당시를 회상했다.

그는 "우리가 생각한 것은 구형 구조체 코팅이었다. 또다시 실험이 반복되며 키토산을 이용한 코팅 후 구멍 뚫린 구형 구조체를 완성했다"면서 "실험이 성공하기까지 많은 이들이 노력이 있었다. 그들을 인정하는 것은 기본"이라고 덧붙였다.

이후 공모양 구조체 표면에 자성입자를 붙인 마이크로로봇을 만들었다. 구조체 안에 줄기세포를 실어 자성을 이용해 손상된 무릎 연골 위치에 도착케 했다. 마이크로로봇은 줄기세포를 정밀하게 전달하고 이식된 줄기세포는 연골세포로 분화돼 수술없이 연골 재생에 성공한다. 생분해성 마이크로로봇은 체내에 흡수되며 실험은 성공적으로 마무리 됐다.

최 교수는 "마이크로로봇을 정밀하게 전달해야하는데 코일로 구성된 자기장 발생 장치에 자기장이 충분하게 형성되지 않는 문제가 있었다"면서 "우리는 많은 시뮬레이션을 통해 최적화된 코일 배치를 찾아냈다. 이를 통해 실험 동물이었던 토끼와 돼지의 무릎 관절에 정확히 전달했다"고 설명했다.

완성도가 높아지며 논문도 속도를 냈다. 다시한번 최 교수의 협력이 강조됐다. 그동안 연구에 참여한 모두를 기여도에 따라 논문 저자로 올리기 위함에서다.

최 교수는 "연골재생 마이크로로봇 원천기술을 이전하겠다고 기업에서 먼저 연락이 왔다. 기업은 상용화를 위한 시간싸움으로 치고 나가야 한다. 우리도 당연히 그들의 일정에 맞춰야 한다고 생각했다"면서 "논문 저자에 대해 처음에는 반대하는 이들도 있었지만 기술은 분명한 역할을 하며 쌓여갈때 성과로 이어지는데 서로의 협력이 무엇보다 중요하다. 그런 부분을 모두가 인정하면서 협력하는 연구실 문화도 형성됐다"고 말했다.

◆ 마이크로로봇 이용한 생체 내 치료 가능성 입증
 
마이크로로봇연구단이 체내 마이크로로봇을 이용해 연골재생에 성공, 상용화 가능성을 앞당겼다.<사진= 한국마이크로로봇연구단>마이크로로봇연구단이 체내 마이크로로봇을 이용해 연골재생에 성공, 상용화 가능성을 앞당겼다.<사진= 한국마이크로로봇연구단>

마이크로로봇연구단의 성과는 스템 셀 네이게이터 플랫폼이 동물실험에서 연골 재생 효과를 실제로 검증했다는데 높은 평가를 받는다. 기존 세포 주입법의 한계를 해결할 수 있기 때문이다.

연구에 공동 참여한 선종근 전남대 병원 정형외과 교수는 "줄기세포 탑재 마이크로로봇을 이용한 치료는 기존 줄기세포 관절내 주입술의 낮은 효율의 한계를 극복할 획기적인 치료법이 될 수 있다"고 연구의의를 평가했다.

최은표 교수는 "의약품과 의료기기가 융합된 융복합 의료기기인 스템 셀 네비게이터는 임상진입까지 절차가 남아있지만 산학연병간 협력과 지난해 출범한 식품의약품안전처의 융복합혁신제품지원단의 지원으로 임상 진입에 박차를 가할 계획"이라며 자신감을 보였다. 제1저자로 참여한 고광준 연구원도 "마이크로로봇이 생체내 질환 치료 가능성을 보여준 첫 사례다. 다른 질환 치료에 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

2017년 원천기술을 이전받은 바이오트코리아는 성과를 인정받으며 지난해 보건복지부 장관상을 수상했다. 장영준 대표는 "산학연병의 협력으로 세계 최초로 마이크로로봇의 치료능력 강화를 입증할 수 있었다. 지난해 말 준공된 GMP 시설을 통해 골관절염 분야 스템 셀 네비게이터 임상을 위해 제반 과정을 수행해 나갈 계획"이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 '바이오 의료기술 개발사업(마이크로 구조체 방식의 관절 연골 재생 및 표적화기술 개발)과 보건복지부의 '마이크로의료로봇 실용화기술 개발사업(마이크로의료로봇 실용화 공통기반 기술개발 센터)'으로 이뤄졌다.

왼쪽 병속 알갱이들이 연구팀이 개발한 마이크로로봇.<사진= 한국마이크로로봇연구단>왼쪽 병속 알갱이들이 연구팀이 개발한 마이크로로봇.<사진= 한국마이크로로봇연구단>
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