심장과 신경 같은 전기 신호가 중요한 다른 장기 조직 연구에 응용 기대
포스텍 연구팀이 줄기세포로 만든 인공 췌장 세포에 전기적 신호를 가해 인슐린 분비 기능을 최대 4배 이상 향상시키는 기술을 개발하는데 성공했다.
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| ▲ 포스텍 기계공학과·IT융합공학과·생명공학과·융합대학원 장진아 교수(왼쪽부터), 포스텍 기계공학과 통합과정 김지환 씨, 포스텍 미래IT융합연구원 용의중 박사. [포스텍 제공] |
포스텍은 기계공학과·IT융합공학과·생명공학과·융합대학원 장진아 교수, 기계공학과 통합과정 김지환 씨, 미래IT융합연구원 용의중 박사 연구팀이 전도성 잉크와 바이오 잉크를 동시에 출력하는 바이오 하이브리드 3D 프린팅 기술을 기반으로 줄기세포에서 유래한 췌장 조직에 균일한 전기 자극을 주는 전기 자극 플랫폼을 개발했다고 3일 밝혔다.
이번 연구는 재료 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'에 게재됐다.
제1형 당뇨병은 췌장 안에서 인슐린을 만드는 β(베타)세포가 면역 공격을 받아 사라지면서 생기는 병이다. 건강한 췌장은 혈당이 오르면 자동으로 인슐린을 내보내지만 제1형 당뇨 환자는 이 기능이 작동하지 않는다.
현재로서는 인슐린 주사나 펌프로 하루하루를 버틴다. 최근에는 줄기세포로 췌도 세포를 만들어 이식하는 연구가 활발하지만 실험실에서 만들어진 췌도 세포는 혈당 변화를 잘 감지하지 못하고 인슐린 분비능력도 부족했다.
실제 우리 몸속에 있는 췌도 세포는 끊임없이 전기 신호를 주고받으며 혈당을 조절하는데 실험실 배양 환경에서는 이런 전기 활동이 전혀 재현되지 않았다.
연구팀이 내놓은 해법은 바이오 하이브리드 3D 프린팅 기술로 만든 전기 자극 플랫폼 'CoNECT'다. 이름처럼 세포와 전기를 '연결'한다는 개념이다.
플랫폼의 핵심은 특수 제작한 전도성 잉크에 있다. 생체에 해롭지 않으면서도 전기를 잘 흘릴 수 있도록 기존 바이오프린팅 소재에 탄소나노소재를 섞어 만들었다.
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| ▲ 바이오 하이브리드 3D 프린팅 기반 췌도 전달체와 전극을 유기적으로 통합하는 조직 자극 플랫폼 모식도. [포스텍 제공] |
'CoNECT'는 전도성 잉크와 세포를 담은 바이오 잉크를 동시에 출력해 하나의 구조물로 완성된다. 마치 건물을 지을 때 콘크리트와 철근을 함께 쓰듯 전극 역할을 하는 수직 구조물을 조직 안에 세우고 사이사이에 췌장 조직에서 유래한 세포외기질(dECM) 기반 바이오 잉크를 정밀하게 배치했다.
그 결과, 바깥에서 전기를 단순히 흘려보냈던 기존 방식과 달리 전극이 조직 내부로 자연스럽게 녹아 들어가 자극이 조직 전체에 고르게 전달됐다.
이렇게 자극을 받은 췌도 세포는 세포 간 신호 전달이 활발해졌고 인슐린 분비능력도 향상됐다. 특히 혈당 변화에 따라 인슐린을 얼마나 잘 분비하는지를 보여주는 핵심 지표인 'GSIS index'는 전기 자극을 가한 경우 6.66으로 측정됐다.
실제 사람의 췌도에서 측정되는 GSIS index가 3~4 수준임을 고려했을 때 실험실에서 만든 췌도 세포가 실제 사람의 췌도에 가까운 수준으로 성숙했다는 뜻이다.
장진아 교수는 "전극과 조직을 하나의 구조로 결합해 줄기세포 유래 췌도 세포 기능을 실제 치료 수준까지 끌어올릴 가능성을 제시했다"며 "이 기술은 당뇨 치료를 넘어 심장과 신경 같은 전기 신호가 중요한 다른 장기 조직 연구에도 폭넓게 응용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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