생체재료(biomaterial, 生體材料)로 척수 손상 복구
- 건강의학 / 문광주 기자 / 2021-11-14 10:28:08
3'30"읽기
- 신경과 척수는 스스로 치유하는 능력이 제한되어 있다.
- 세포외 기질의 두 가지 기능을 수행하는 생리활성 나노섬유로 만들어진 물질 개발
- 손상된 신경에 주사하면 그 주위에 세포외 스캐폴드(Scaffold)를 형성
- 쥐에서 첫 번째 변화, 주사 후 약 1주일 정도에 절단된 신경 말단 성장
- 초분자 지지체, 미래에 신경 손상 치유하는 유망한 방법
다른 많은 신체 조직과 달리 신경과 척수는 스스로 치유하는 능력이 제한되어 있다.
완전히 절단되면 더 함께 자라지 않고 마비가 발생합니다. 이에 대한 한 가지 이유는 신경 세포를 둘러싸고 있는 세포외 기질의 영향이다. 골격을 형성하는 나노섬유와 메신저 물질의 특별한 혼합물은 손상을 제한하고 동시에 신경 섬유인 축삭이 다시 자라는 것을 방지한다.
척수 손상과 신경 손상에 대한 치료법을 찾기 위해 과학자들은 여러 가지 방법으로 이러한 성장 장애를 우회하려고 노력하고 있다. 일부 접근법은 주입된 성장 메신저와 전기 자극을 사용하고, 다른 접근법은 유전자 요법이나 줄기세포에 의존한다.
치료 보조제로서의 생리활성 나노섬유
또 다른 치료 방법이 최근 최소한 생쥐에서 효과적인 것으로 입증됐다.
시카고 노스웨스턴 대학의 자이다 알바레즈(Zaida Alvarez)가 이끄는 팀은 세포외 기질의 두 가지 기능을 수행하는 생리활성 나노섬유로 만들어진 물질을 개발했다. 손상된 신경 주위에 지지 구조를 형성하고 성장 촉진 메신저 물질을 방출한다. 독일-영국 연구 그룹은 이미 2019년에 이러한 나노섬유의 첫 번째 전구체를 발표했다.
특히, 새로운 생체 재료는 주입 후 나노섬유 네트워크로 스스로 조립하는 합성 펩타이드 분자인 펩타이드 양친매성(amphipathic, 兩親媒性 물질:분자내에 극성과 비극성을 함께 갖춤)으로 구성된다. 손상된 신경에 주사하면 그 주위에 세포외 스캐폴드(Scaffold)를 형성한다.
하이라이트는 기본 궁성 요소로 사용되는 펩타이드가 생리활성이며 신경 세포 및 보조 세포의 수용체와 상호 작용한다는 것이다.
이중 신호 효과
생리 활성 물질이 신경에 있으면 이중 신호 효과가 발생한다.
한편으로는 성장 인자처럼 작용하여 절단된 신경 과정이 재생되도록 자극한다. 이로 인해 축삭이 자란다. 한편, 초분자 네트워크는 신경 환경의 보조 세포에 작용해 손상된 부위에서 새로운 미엘린(Myelin:축삭의 겉을 여러 겹으로 싸고 있는 인지질 성분의 막)과 혈관의 형성을 촉진한다.
"신호 물질은 천연 단백질의 효과를 모방한다"며 "단백질은 반감기가 짧고 제조 비용이 비싸지만, 우리의 합성 신호는 수천 개의 연결된 펩티드가 짧고 변형되어 몇 주 동안 원하는 생리활성을 전달한다"고 Alvarez는 설명했다. 약 12주 후에야 부작용 없이 생체 활성 지지 구조가 신체에 의해 분해된다.
신경 성장 50배 향상
Alvarez와 그녀의 팀은 이 나노섬유 요법이 새로 부상당한 척수를 가진 마비된 쥐에서 실제로 얼마나 잘 작동하는지 테스트했다. 이를 위해 그들은 생리활성 펩타이드-앰피페틱(양친매선) 다른 변이체 또는 식염수 용액을 대조군으로 주입하고 형광 마커, 보행 테스트 및 기타 분석을 사용하여 신경 조직이 재생되고 있는지 그리고 얼마나 잘 재생되는지 확인했다.
결과:
"대조군에서는 손상된 부위에서 축삭의 재성장이 거의 관찰되지 않았다"고 팀이 보고했다.
그러나 활성 성분을 받은 쥐에서 첫 번째 변화는 주사 후 약 1주일 정도에 이미 명백했다. 절단된 신경 과정의 말단이 다시 자라기 시작했다. 연구진에 따르면 나노섬유 지지체의 구성에 따라 축삭 성장은 대조군보다 2~50배 더 컸다.
"춤추는" 분자는 생쥐를 다시 걷게 한다.
나노섬유 프레임워크 내에서 신호전달 물질의 이동성은 그 효과에 결정적인 역할을 하는 것으로 판명됐다. "분자를 움직이게 만들고 '춤추게' 만들면 수용체와 더 효율적으로 상호작용할 수 있다"고 노스웨스턴 대학의 사무엘 스터프(Samuel Stupp)가 설명했다.
‘춤추는’ 분자의 효과는 쥐의 행동에서도 분명했다.
대조군의 동종은 대부분 마비된 상태를 유지했지만 생리 활성 물질로 처리된 동물은 주사 후 일주일 만에 다시 다리를 움직이기 시작했다. Alvarez와 그녀의 동료들이 보고한 바와 같이 3주 후에 가장 효과적인 변이체로 처리된 쥐는 중간에 다시 걸을 수 있었다.
사람에게도 효과가 있을까?
연구팀에 따르면 이 접근법은 신경 치유를 촉진하고 지속적인 마비를 예방할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. Stupp은 "우리의 목표는 부상이나 질병 후 마비되는 것을 방지하는 치료법을 찾는 것이다"고 말했다. 새로운 나노섬유 스캐폴딩의 도움으로 인간의 절단된 신경관을 복구할 수 있다면 이 목표를 달성할 수 있다.
생체 활성 나노 네트워크에 대한 연구는 이제 시작에 불과하다. 그럼에도 불구하고 Stupp과 그의 팀은 이러한 초분자 지지체를 미래에 신경 손상을 치유하는 유망한 방법으로 보고 있다.
(Science, 2021; doi: 10.1126 / science.abh3602)
출처: Northwestern University
- 신경과 척수는 스스로 치유하는 능력이 제한되어 있다.
- 세포외 기질의 두 가지 기능을 수행하는 생리활성 나노섬유로 만들어진 물질 개발
- 손상된 신경에 주사하면 그 주위에 세포외 스캐폴드(Scaffold)를 형성
- 쥐에서 첫 번째 변화, 주사 후 약 1주일 정도에 절단된 신경 말단 성장
- 초분자 지지체, 미래에 신경 손상 치유하는 유망한 방법
생체재료(biomaterial, 生體材料)는 척수 손상을 복구한다.
생리활성 나노섬유는 신경 치유를 촉진하고 마비된 쥐가 다시 걸을 수 있도록 한다.
마비 예방:
연구원들이 신경 성장을 촉진하고 심각한 척수 손상을 치료할 수 있는 생리활성 물질을 개발했다. 쥐의 경우 이미 마비된 동물을 다시 뛰게 하는 것이 가능했다. 치료의 핵심은 펩타이드 기반 나노섬유로, 연구팀이 전문 저널 "Science"에 보고한 바와 같이 주입 후 손상된 신경 주위에 네트워크로 연결된 지지 구조를 형성하고 성장 촉진 메신저 물질을 방출한다.
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▲ 나노섬유로 만들어진 생리활성 프레임워크는 절단된 마우스의 신경관이 다시 자라도록 한다(빨간색) © Samuel I. Stupp Laboratory / Northwestern University |
다른 많은 신체 조직과 달리 신경과 척수는 스스로 치유하는 능력이 제한되어 있다.
완전히 절단되면 더 함께 자라지 않고 마비가 발생합니다. 이에 대한 한 가지 이유는 신경 세포를 둘러싸고 있는 세포외 기질의 영향이다. 골격을 형성하는 나노섬유와 메신저 물질의 특별한 혼합물은 손상을 제한하고 동시에 신경 섬유인 축삭이 다시 자라는 것을 방지한다.
척수 손상과 신경 손상에 대한 치료법을 찾기 위해 과학자들은 여러 가지 방법으로 이러한 성장 장애를 우회하려고 노력하고 있다. 일부 접근법은 주입된 성장 메신저와 전기 자극을 사용하고, 다른 접근법은 유전자 요법이나 줄기세포에 의존한다.
치료 보조제로서의 생리활성 나노섬유
또 다른 치료 방법이 최근 최소한 생쥐에서 효과적인 것으로 입증됐다.
시카고 노스웨스턴 대학의 자이다 알바레즈(Zaida Alvarez)가 이끄는 팀은 세포외 기질의 두 가지 기능을 수행하는 생리활성 나노섬유로 만들어진 물질을 개발했다. 손상된 신경 주위에 지지 구조를 형성하고 성장 촉진 메신저 물질을 방출한다. 독일-영국 연구 그룹은 이미 2019년에 이러한 나노섬유의 첫 번째 전구체를 발표했다.
특히, 새로운 생체 재료는 주입 후 나노섬유 네트워크로 스스로 조립하는 합성 펩타이드 분자인 펩타이드 양친매성(amphipathic, 兩親媒性 물질:분자내에 극성과 비극성을 함께 갖춤)으로 구성된다. 손상된 신경에 주사하면 그 주위에 세포외 스캐폴드(Scaffold)를 형성한다.
하이라이트는 기본 궁성 요소로 사용되는 펩타이드가 생리활성이며 신경 세포 및 보조 세포의 수용체와 상호 작용한다는 것이다.
이중 신호 효과
생리 활성 물질이 신경에 있으면 이중 신호 효과가 발생한다.
한편으로는 성장 인자처럼 작용하여 절단된 신경 과정이 재생되도록 자극한다. 이로 인해 축삭이 자란다. 한편, 초분자 네트워크는 신경 환경의 보조 세포에 작용해 손상된 부위에서 새로운 미엘린(Myelin:축삭의 겉을 여러 겹으로 싸고 있는 인지질 성분의 막)과 혈관의 형성을 촉진한다.
"신호 물질은 천연 단백질의 효과를 모방한다"며 "단백질은 반감기가 짧고 제조 비용이 비싸지만, 우리의 합성 신호는 수천 개의 연결된 펩티드가 짧고 변형되어 몇 주 동안 원하는 생리활성을 전달한다"고 Alvarez는 설명했다. 약 12주 후에야 부작용 없이 생체 활성 지지 구조가 신체에 의해 분해된다.
신경 성장 50배 향상
Alvarez와 그녀의 팀은 이 나노섬유 요법이 새로 부상당한 척수를 가진 마비된 쥐에서 실제로 얼마나 잘 작동하는지 테스트했다. 이를 위해 그들은 생리활성 펩타이드-앰피페틱(양친매선) 다른 변이체 또는 식염수 용액을 대조군으로 주입하고 형광 마커, 보행 테스트 및 기타 분석을 사용하여 신경 조직이 재생되고 있는지 그리고 얼마나 잘 재생되는지 확인했다.
결과:
"대조군에서는 손상된 부위에서 축삭의 재성장이 거의 관찰되지 않았다"고 팀이 보고했다.
그러나 활성 성분을 받은 쥐에서 첫 번째 변화는 주사 후 약 1주일 정도에 이미 명백했다. 절단된 신경 과정의 말단이 다시 자라기 시작했다. 연구진에 따르면 나노섬유 지지체의 구성에 따라 축삭 성장은 대조군보다 2~50배 더 컸다.
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▲ 마비된 뒷다리가 있는 대조군 마우스 및 주사 후 4주 후에 처리된 마우스. © Samuel I. Stupp 연구소 / 노스웨스턴 대학교 |
"춤추는" 분자는 생쥐를 다시 걷게 한다.
나노섬유 프레임워크 내에서 신호전달 물질의 이동성은 그 효과에 결정적인 역할을 하는 것으로 판명됐다. "분자를 움직이게 만들고 '춤추게' 만들면 수용체와 더 효율적으로 상호작용할 수 있다"고 노스웨스턴 대학의 사무엘 스터프(Samuel Stupp)가 설명했다.
‘춤추는’ 분자의 효과는 쥐의 행동에서도 분명했다.
대조군의 동종은 대부분 마비된 상태를 유지했지만 생리 활성 물질로 처리된 동물은 주사 후 일주일 만에 다시 다리를 움직이기 시작했다. Alvarez와 그녀의 동료들이 보고한 바와 같이 3주 후에 가장 효과적인 변이체로 처리된 쥐는 중간에 다시 걸을 수 있었다.
사람에게도 효과가 있을까?
연구팀에 따르면 이 접근법은 신경 치유를 촉진하고 지속적인 마비를 예방할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. Stupp은 "우리의 목표는 부상이나 질병 후 마비되는 것을 방지하는 치료법을 찾는 것이다"고 말했다. 새로운 나노섬유 스캐폴딩의 도움으로 인간의 절단된 신경관을 복구할 수 있다면 이 목표를 달성할 수 있다.
생체 활성 나노 네트워크에 대한 연구는 이제 시작에 불과하다. 그럼에도 불구하고 Stupp과 그의 팀은 이러한 초분자 지지체를 미래에 신경 손상을 치유하는 유망한 방법으로 보고 있다.
(Science, 2021; doi: 10.1126 / science.abh3602)
출처: Northwestern University
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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