Synergistic effects of thermoplastic polyurethane, chitosan, and polypyrrole in scaffold preparation for cardiac tissue engineering

심장이 심각한 공격을 받을 때, 폐쇄로 인해 혈액 공급이 끊기면 근육 조직의 일부가 죽어 스스로 치유될 수 없는 상태가 됩니다. 부러진 뼈가 다시 붙는 것과 달리, 심장 근육은 재생 능력이 매우 제한적입니다. 세포가 한 번 죽으면 그것으로 끝이며, 그 자리는 피를 펌프질할 수 없는 딱딱한 흉터 조직으로 대체됩니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 조직 공학이라 불리는 방법을 탐구하고 있는데, 이는 새로운 심장 세포를 지지하고 성장을 촉진할 수 있는 일시적인 인공 구조물을 만드는 것을 목표로 합니다. 스캐폴드(scaffold)라고 알려진 이 구조물은 단순히 세포를 고정하는 것 이상의 역할을 해야 합니다. 심장의 자연스러운 환경, 즉 부드럽고 유연하며 심장이 리듬에 맞춰 뛸 수 있도록 끊임없이 전기 신호를 보내는 환경을 모방해야 합니다. 과제는 심장의 박동이라는 물리적 스트레스를 견딜 만큼 강하면서도, 신체가 받아들일 수 있을 만큼 안전하고, 필수적인 전기 펄스를 전달할 수 있을 만큼 전도성이 있는 재료를 만드는 데 있습니다.

최치 연구에서 연구진은 세 가지 서로 다른 재료를 하나의 기능적인 시트로 혼합하여 그러한 스캐폴드를 제작하고자 했습니다. 그들은 탄성을 특징으로 하는 합성 플라스틱, 갑각류에서 발견되는 천연 당 기반 폴리머, 그리고 전기를 전도할 수 있는 특수 플라스틱을 결합했습니다. 합성 플라스틱인 열가소성 폴리우레탄은 필요한 신축성과 내구성을 제공합니다. 천연 폴리머인 키토산은 살아있는 세포가 인식하고 달라붙기 좋아하는 표면을 제공합니다. 전기 전도성 문제를 해결하기 위해 연구팀은 전기가 흐를 수 있게 해주는 재료인 폴리피롤(polypyrrole)을 추가했는데, 이는 마치 전선처럼 전기를 통하게 하면서도 다른 부드러운 재료와 혼합될 수 있는 형태의 물질입니다. 또한, 혼합물이 형태를 유지하고 신체와 더 잘 상호작용하도록 돕기 위해 두 가지 흔한 첨가제인 알긴산 나트륨과 글루콘산 칼슘을 포함했습니다. 목표는 이 특정 조합이 심장 세포의 성장을 지원하면서 전기를 전도할 수 있는 안정적이고 다공성인 구조를 만들 수 있는지 확인하는 것이었습니다.

연구진은 이러한 구성 요소들을 다양한 용매에 녹여 다양한 비율로 혼합하며 완벽한 균형을 찾기 시작했습니다. 그들은 단순히 플라스틱과 천연 폴리머만을 혼합했을 때는 시트가 너무 밀도가 높고 세포가 숨을 쉬거나 이동하는 데 필요한 작은 구멍, 즉 기공(pore)이 부족하다는 것을 발견했습니다. 그러나 첨가제와 전도성 재료를 도입하자 혼합물의 성질이 변했습니다. 첨가제는 세포가 침투하는 데 필수적인, 서로 연결된 기공을 가진 스펀지 같은 구조를 만드는 데 도움을 주었습니다. 전도성 물질인 폴리피롤의 양을 늘릴수록 기공은 작아졌고 재료의 표면은 더 거칠어졌습니다. 이 거친 표면은 실제로 유익한데, 매끄러운 표면보다 질감이 있는 표면이 더 좋은 접지력을 제공하는 것처럼 세포가 붙잡을 수 있는 더 많은 표면적을 제공하기 때문입니다.

결정적으로, 전도성 재료의 추가는 스캐폴드의 전기적 특성을 변화시켰습니다. 기본 혼합물인 플라스틱과 천연 폴리머는 전기를 전혀 전도하지 못했습니다. 하지만 폴리피롤을 추가하자마자 시트는 전류를 운반할 수 있게 되었습니다. 폴리피롤을 더 많이 추가할수록 시트의 전기 전도도는 높아졌습니다. 이는 심장 세포가 박동을 조절하기 위해 전기 신호에 의존하기 때문에 매우 중요한 발견입니다. 전기를 전도하지 못하는 스캐폴드는 심장의 자연스러운 리듬을 지원하는 데 실패할 것입니다. 연구팀은 또한 이 재료가 물과 어떻게 상호작용하는지 테스트했습니다. 기본 혼합물은 물을 밀어냈지만, 전도성 재료를 추가하자 표면이 더 친수성을 띠게 되었는데, 이는 일반적으로 세포가 더 쉽게 부착되고 퍼져나가는 데 도움이 됩니다.

새로운 재료가 안전하고 효과적인지 확인하기 위해, 연구진은 실험실 환경에서 살아있는 심장 세포와 혈관 세포를 대상으로 테스트를 진행했습니다. 그들은 세포들이 스캐폴드 위에서 생존할 뿐만 아니라 잘 성장하고 표면에 단단히 부착된다는 것을 발견했습니다. 심장 세포들은 특유의 형태를 유지했으며, 심지어 수축에 필요한 내부 구조를 발달시키는 징후까지 보였습니다. 연구는 또한 스캐폴드가 시간이 지남에 따라 어떻게 분해되는지도 조사했습니다. 재료들은 새로운 조직이 형성됨에 따라 서서히 녹아 없어지도록 생분해성으로 설계되었습니다. 결과에 따르면 전도성 재료가 포함된 스캐폴드가 기본 혼합물보다 약간 더 빠르게 분해되었는데, 이는 아마도 물을 더 많이 흡수했기 때문인 것으로 보입니다. 이는 이들이 새로운 심장 조직의 성장 속도에 맞춰 사라질 수 있음을 시사합니다.

연구진은 스캐폴드가 심장 세포를 지원하는 것을 넘어, 새로운 혈관이 생성되는 과정인 혈관 신생(angiogenesis)을 촉진하는지 조사했습니다. 새로운 혈관 공급 없이는 새로운 심장 조직이 생존할 수 없습니다. 닭 배아를 이용한 생물학적 모델을 통해, 연구진은 전도성 재료와 칼슘 첨가제가 포함된 스캐폴드가 기본 혼합물보다 더 효과적으로 새로운 혈관 성장을 촉진한다는 것을 관찰했습니다. 이는 특정 성분의 조합이 심장 근육 세포를 직접 지원할 뿐만 아니라, 그들에게 영양을 공급할 필수적인 혈관 네트워크를 구축하는 데도 도움을 준다는 것을 나타냅니다. 또한 연구는 스캐폴드가 특정 박테리아의 성장을 억제하는 능력을 보여주었는데, 이는 이식 후 감염을 예방하는 데 도움이 될 수 있는 유익한 부수 효과입니다.

연구진은 결론적으로, 적당한 양의 전도성 재료를 포함한 버전이 가장 유망한 스캐폴드라고 판단했습니다. 이 버전은 형태를 유지할 만큼 충분히 강하고, 심장과 함께 움직일 만큼 충분히 유연하며, 전기 신호를 전달할 만큼 충분히 전도성이 있고, 세포가 내부에서 자랄 수 있을 만큼 충분히 다공성이었습니다. 비록 이 연구가 살아있는 인간이나 동물의 심장 내부에서 재료를 테스트한 것은 아니지만, 실험실 결과는 이 조합이 심장 조직 공학의 복합적인 요구 사항을 충족하는 유리한 환경을 조성한다는 것을 시사합니다. 합성 플라스틱, 천연 폴리머, 전도성 재료의 혼합물을 정밀하게 조정함으로써, 연구팀은 현재 스스로 치유할 수 있는 자연적인 방법이 없는 손상된 심장 근육을 수리하기 위한 잠재적인 경로를 제시하는 플랫폼을 만들어냈습니다.