맥신 나노섬유 지지체를 활용한 체적 근육 손실 재생 모식도. (사진=부산대 제공)

부산대학교 연구진이 미래 소재 혁신을 가져올 꿈의 물질로 각광 받고 있는 맥신(MXene) 나노입자의 근육 재생 효과를 검증하는데 성공했다.

부산대학교는 광메카트로닉스공학과 한동욱·홍석원 교수 연구팀이 융합의과학과 김윤학 교수팀과 공동으로 '체적 근육 손실(VML)' 치료를 위한 맥신(MXene) 이식재 개발에 성공했다고 25일 밝혔다.

맥신의 근분화 촉진 기전을 밝힌 이번 연구는 나노 및 마이크로 스케일의 연구와 응용 분야에서 세계적으로 인정받는 국제학술지 '나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)' 1월 4일자에 게재됐다.

'체적 근육 손실(VML)'은 대규모 외상에 따른 골격근의 상당량(20% 이상) 손실을 의미한다. 이로 인한 근육 기능 상실과 같은 후유증이 있으며 의학계에서 조직공학 기반의 VML 치료 연구가 활발히 진행 중이다.

이번 연구에 활용된 '맥신(MXene)'은 이차원 나노입자로 구성된 물질로, 금속 카바이드나 탄화물을 에칭해 얻어진다. 높은 전기전도성, 높은 열전도성, 우수한 기계적 강도 등의 물성을 갖고 있어 2011년 처음 발견된 이후 다양한 산업 분야에 활용돼 왔다. 최근에는 맥신의 여러 생물학적 특성이 알려지면서 생물·의학 분야에서 효능 연구가 이어지고 있다.

맥신의 생물학적 특성은 주로 독특한 구조적 특징과 관련 있다. 맥신 나노입자는 표면에 다양한 친수성 작용기를 갖고 있고, 페스츄리처럼 여러 개의 얇은 층으로 이뤄져 있어 여러 생체 분자 및 단백질의 흡착을 촉진한다. 이러한 특성을 통해, 맥신은 주변 세포의 부착을 유도하고 여러 신호전달 경로를 활성화시킨다. 또한, 특유의 광학적 특성과 낮은 독성, 화학적 개질이 용이한 특성 때문에 바이오센서, 의료용 이미징, 의료용 재료 등 다양한 분야에서 응용 가능성이 폭넓게 연구되고 있다.

부산대 연구팀은 맥신 나노입자와 콜라겐을 생분해성 의료용 고분자에 혼합해 정렬된 나노섬유 지지체를 제작했으며, 동물실험을 통해 이 지지체가 손상된 근육 조직의 빠른 재생을 촉진한다는 것을 확인했다.

마우스 모델을 이용한 동물실험 결과, 비처치 대조군과 비교해 230% 빠른 근육 재생과 122% 많은 근섬유 재생이 확인됐다. 또한, 조직학적 분석을 통해 나노섬유 지지체 이식 일주일 후 대부분의 손상된 근육이 재생됐음이 관찰됐다.

이러한 결과는 맥신 나노입자에 의해 축적된 칼슘 이온이 근원세포의 생존, 증식, 근관 분화, 그리고 근단백질 합성을 유도하는 신호전달 경로를 촉진시켰기 때문임이 밝혀졌다. 결과적으로, 맥신 나노입자는 평소보다 빠른 속도로 많은 양의 근육을 재생시켜 체적 근육 손실을 빠르게 회복할 수 있었다.

한동욱 교수는 "근육 회복 과정에서 발현된 전체 유전자가 차세대 염기서열분석법(NGS)을 통해 분석됐다"며 "이번 연구는 맥신 나노입자가 근분화를 촉진하는 분자생물학적 기전을 최초로 밝혔다는 데 의의가 있다"고 설명했다.

한 교수는 이어 "맥신 나노입자가 근육 재생에 대한 유망한 치료법으로 활용될 수 있다는 가능성을 보였으며, 추가 실험 및 공정 최적화를 통해 실제 임상에서도 활용될 수 있는 조직공학 기반 의료기기로 개발할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 부산대 인지메카트로닉스공학과 강문성 박사과정생, 의과대학 의학연구원 유연이 박사(연수연구원), 인지메카트로닉스공학과 박로운 박사과정생이 공동 제1저자, 한동욱 교수, 홍석원 교수, 김윤학 교수가 공동 교신저자로 수행했다.

산업통상자원부 재원으로 수행된 한국산업기술평가원 바이오산업핵심기술개발 사업, 과학기술정보통신부 재원으로 수행된 한국연구재단 바이오·의료기술개발사업, 정부 재원의 범부처전주기의료기기연구개발사업단 등의 지원을 받았다.