새로운 골이식 대체재 개발, 골 재생 극대화 가능성 높인다 

[KFRM 푸름이야기] 제10회: 차세대 골이식 대체재의 상용화 연구

글 : 경북대학교 오창욱 교수 

사람의 뼈는 얼마나 빨리 재생될까요?

“언제쯤 뼈가 다 붙을까요?”라는 질문은 골절, 감염, 골종양 등으로 인해 정형외과를 찾는 환자들이 가장 자주 하는 질문 중 하나입니다. 뼈가 붙는 시간, 즉 골의 재생에 소요되는 기간은 어린이는 비교적 빠르지만, 성인의 경우 가장 큰 대퇴골은 약 16-20주 정도의 유합 기간이 필요합니다. 이는 손상의 정도, 형태, 부위, 또는 수술 방법(금속물의 고정이 필요한 수술) 등에 따라 차이가 있습니다. 이 기간 동안 환자는 거동이 불편해지는 등 일상생활에 지장을 받을 수 있으며, 만약 뼈가 잘 붙지 않아 재수술을 하거나 장기간 입원을 해야 한다면 생활비 등의 사회경제적인 문제도 생길 수 있습니다. 그렇기 때문에 뼈를 빠르게 유합시키고 재생시켜서 환자의 사회 복귀 시기를 앞당기는 것은 건강한 삶을 되찾을 수 있게 해주는 중요한 과제입니다. 이를 통해 환자들의 생계를 유지하고 사회경제적인 비용을 절감할 수 있습니다.

현재의 골재생 치료로 사용하는 재료는 종류에 따라 장단점을 모두 가지고 있습니다.

골절이나 골 질환 등으로 골의 결손이 발생하거나 치료 후 불유합이 생긴 경우, 골반 골 등에서 자신의 뼈, 즉 자가골의 이식이 필요한 경우가 많습니다. 자가골은 골형성에 필요한 세포와 골재생을 유도하는 성장 인자(골형성 단백질을 포함), 그리고 골의 형성 시 혈관 등이 증식될 수 있는 골 전도의 효과를 모두 가지고 있어 가장 이상적인 치료법으로 사용되고 있습니다. 하지만 자가골은 인체거부반응이 없고 골의 재생능력이 매우 뛰어난 반면, 채취량이 한계가 있습니다. 또한 공여부위에 새로운 골절, 출혈, 수술시간의 지연, 혈종, 수술 후 통증과 같은 합병증의 발생 가능성이 있습니다.

동종골 이식은 다른 사람의 뼈(기증자 또는 사체에서 채취)를 사용하여 치료하는 방법입니다. 이는 자가골 이식과 비교하여 자가골에 함유된 세포와 골 유도에 도움이 되는 여러 가지 성장인자는 없이 골 전도역할만 있으므로, 골유합 능력이 현저히 낮아지고, 또한 감염 위험이 존재할 수 있습니다. 또한, 일부에서 사용되고 있는 소나 돼지 등 동물 뼈를 사용하는 이종골 이식은 합병증이 없는 장점이 있지만, 골의 재생 능력이 매우 떨어지고 면역거부반응이 발생할 수 있습니다.

이러한 골재생 능력을 보완하기 위해 사용되는 재료들 중 하나는 탈회 골기질(Demineralized Bone Matrix)입니다. 이 재료는 골에서 세포가 제거되고 유도 단백질만 남아 있는 것으로, 즉시 사용이 가능하고 원하는 모양을 만들 수 있는 성질이 있습니다. 하지만 안정성이 부족하고 골재생 효과도 제한적입니다.

또 다른 방법으로는 인공적인 합성골 재료를 사용하는 것입니다. 이는 수산화인회석(Hydroxyapatite) 또는 삼인산칼슘(Tri-calcium phosphate) 등의 세라믹으로 만들어져 있습니다. 이 방법은 비용이 적고 무제한으로 사용할 수 있으며 감염의 위험이 없습니다. 하지만 자가골과 비교하였을 때, 재생 능력이 매우 부족하다는 단점이 있습니다.

이처럼 뼈를 재생시키기 위한 다양한 치료법이 개발되어 사용되고 있지만, 골 재생 치료법에는 여전히 극복해야 할 한계가 있습니다. 첫째, 치료법은 공급량이 제한되지 않고 쉽게 만들 수 있어야 합니다. 둘째, 부작용을 최소화하기 위해 감염이나 인체거부반응과 같은 문제가 발생하지 않도록 해야 합니다. 셋째, 치료법은 환자의 뼈에 맞는 3차원적인 형태를 가져야 하며 생체 역학적인 안정성을 유지해야 합니다. 마지막으로 가장 중요한 것은 치료법의 골재생 능력이 뛰어나야 한다는 것입니다.

우리 연구진은 적층구조 안에서 3개의 재료가 결합된‘차세대 골이식 대체재’를 개발하고 있습니다.

본 연구진은 이러한 골재생 치료제의 한계를 극복하고자 골형성 촉진 생리활성물질인 골형성 단백질, 인체 결합조직 단백질인 콜라젠, 그리고 생체 흡수성 고분자 소재(PLLA)를 결합하여 차세대 골이식 대체재를 개발하고 있습니다. 골형성 단백질은 FDA에서 승인을 받았으며, 현재 골재생을 유도할 수 있는 가장 뛰어난 생체활성물질로 알려져 있습니다. 현재 사용되고 있는 골형성 단백질 제품은 가루 형태로, 식염수 등의 액체와 섞은 후 골 결손부에 적용하는 방식으로 사용되고 있습니다. 하지만 수술실에서 배합 과정이 필요하고, 소실이 발생하며, 성장인자의 장기적인 방출 및 골 재생 효과를 기대하기 어려운 단점이 있습니다. 이에 대해 본 연구진이 개발 중인 차세대 골이식 대체재의 골형성 단백질은 보관이 편리하고 성장인자의 소실이 없으며, 수술 시 그 적용이 매우 쉽도록 콜라젠과 바이오폴리머 등을 겹겹이 쌓은 적층구조로 만들어졌습니다. 특히, 골 결손부에서 조직으로 흡수되면서 적층구조로 쌓았던 골형성 성장인자들이 일률적이며, 또한 오랜시간 동안 방출되는 원리를 가지고 있어, 기존 제품보다 월등하게 골재생을 유도할 수 있습니다.

이 연구에서는 차세대 골이식 대체재의 안정성을 확보하기 위해 경조직용 골이식 고분자 재료인 바이오폴리머라는 식물에서 유래한 성분을 사용합니다. 이 성분은 인체 내에서 콜라겐 생성을 촉진하며 수분, 이산화탄소, 당으로 대사되며, FDA에서 승인받은 안전한 성분입니다. 이 바이오폴리머를 3D 프린팅 기술을 이용하여 인체골과 유사한 구조로 만들어져서 골 결손부에 적용될 수 있도록 했습니다. 이 골이식 대체재는 다공성 구조를 가지고 있어서 인체 내의 조골세포와 성장인자가 효율적으로 융합하도록 유도하며, 골 소실 크기와 모양에 따라 환자에게 맞춤형 제품을 제작할 수 있습니다. 이를 통해 미래에는 보다 안전하고 효율적인 골 재생 치료법을 개발할 수 있을 것으로 기대됩니다.

환자, 보호자와 함께 울버린의 재생능력을 꿈꾸어 봅니다

본 연구팀은 차세대 골이식 대체재의 골재생 효과를 확인하기 위해 쥐 두개골 결손모델과 토끼 자뼈(Ulna) 결손모델 실험을 진행하였습니다. 이를 통해 성장인자가 장기적으로 방출되어 골재생 기간이 유의미하게 단축되는 결과를 확인하였습니다.

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