[장진아 교수팀, 인공 심장 모델 최초로 좌심실 비틀림 재현 성공]

1 더하기 1은 때로는 2를 초과해 3이나 그 이상의 결과를 만들어낸다. 개인의 힘으로는 달성하기 어려운 목표를 팀이 이룬 사례처럼 단순한 계산으로 보이지 않는 시너지가 있기 때문이다. 최근 POSTECH 연구팀이 이처럼 두 기술의 시너지로 생명과학 분야에서 큰 성과를 내 주목을 모으고 있다.

기계공학과 · 생명과학과 · IT융합공학과 · 융합대학원 장진아 교수, 바이오프린팅 인공장기 응용기술센터 황동규 박사 연구팀은 바이오프린팅과 조직 조립(tissue assembly) 기술을 결합해 복잡한 좌심실 근육의 섬유 구조를 정확하게 재현한 모델을 제작했다. 이번 연구는 최근 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 게재됐다.

심장은 두 개의 심방과 심실로 이루어져 있다. 좌심실은 심장 근육의 섬유가 복잡한 구조로 배열되어 특정한 방식으로 비틀리면서 수축하고 이완하는데, 그 덕분에 영양분과 산소가 풍부한 혈액을 머리끝부터 발끝까지 보낼 수 있다. 하지만, 이처럼 복잡한 구조는 인공 조직과 장기를 만드는 바이오프린팅 분야의 난제 중 하나다. 지금까지 수많은 인공 심장 모델이 제작되었지만, 현재의 기술 수준으로는 복잡한 좌심실 심근의 섬유를 정교하게 재현하는 데 한계가 있었다.

장진아 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 새로운 접근법을 제시했다. 연구팀이 제시한 방법은 바로 바이오프린팅 기술에 조직 조립 기술을 결합한 바이오프린팅 보조 조직 조립(Bioprinting-Assisted Tissue Assembly, BATA)이다.

연구팀은 먼저 바이오프린팅 기술로 심장의 고유한 기능과 구조를 가진 심장 조직(Engineered Heart Tissue, EHT) 모듈을 만들었다. 이 모듈은 심장 모델의 기본 단위로 각 모듈은 고유한 수축력과 전기 신호 패턴을 가지며, 이 모듈을 다양한 방향으로 배치하면 복잡한 심근 섬유의 방향성을 재현할 수 있다.

이 모듈을 바탕으로 연구팀은 조직 조립 기술을 사용해 3개의 층과 세 종류의 심근 방향을 갖는 챔버(Chamber) 형태의 인공 심장 모델(MoCha^*1)을 만들었다. 심장의 복잡한 구조를 모사한 연구팀의 모델은 정렬된 각 방향으로 수축 운동을 하며, 인공 심장 모델 최초로 심장 내 좌심실 비틀림(left ventricular twist)을 재현했다. 그동안 제작하기 어려웠던 좌심실 심장 근육 섬유 모델을 두 기술의 시너지로 정교하게 만드는 데 성공한 것이다.

 

연구를 이끈 장진아 교수는 “심장 질환 치료나 신약 개발 연구에서 실제 심근 섬유를 정확하게 재현한 이 모델이 유용한 플랫폼이 될 것이다”라며, “두 개의 심방과 심실로 구성된 심장 전체 또는 멀티 오간 시스템(multi-organ system) 등 제작에도 이 기술이 활용될 수 있을 것”이라는 기대를 전했다.

이번 연구는 보건복지부 범부처재생의료기술개발사업과 한국연구재단의 글로벌 박사양성사업의 지원을 받아 수행됐다.

DOI: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202400364

1. MoCha
myocardial fiber orientations within a chamber-like structure/span>