Gelatin and PLG-based Scaffolds Differentially Support Follicle Integrity and Oocyte Growth in a 3D printed Scaffold

생명을 위협하는 암에 직면한 많은 어린이들에게, 생명을 구하는 바로 그 치료법이 그들의 미래 가임력을 앗아갈 수 있습니다. 화학 요법과 방사선 치료는 종종 난자를 생성하고 필수 호르몬을 분비하는 기관인 난소를 손상시킵니다. 성인의 경우, 의사들이 나중에 사용하기 위해 난소 조직을 냉동 및 보관할 수 있지만, 이러한 방식은 어린이들에게는 위험합니다. 어린이의 난소에는 개별적으로 냉동할 수 없는 미성숙한 난자가 들어 있으며, 자신의 조직을 다시 이식하는 것은 질병이 그곳까지 전이되었을 경우 암세포를 재도입할 위험이 있기 때문입니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 다른 종류의 해결책인 생체 인공 난소를 연구하고 있습니다. 이것은 스캐폴드(scaffold, 지지체)라고 불리는 아주 작은 다공성 구조물로 만들어진 인공 장기로, 고립된 난포(follicle, 난자 주머니)를 담아두고 체외에서 이들이 성장하고 성숙할 수 있도록 돕도록 설계되었습니다. 목표는 이 공학적 지지 시스템으로 손상된 조직을 대체하여, 신체가 호르몬을 생성하고 결국 건강한 난자를 배출할 수 있도록 하는 것입니다.

문제는 이 스캐폴드를 구축할 적절한 재료를 찾는 데 있습니다. 난포는 3차원적인 섬세한 구조물로서, 안전하게 고정되어야 하는 동시에 성장함에 따라 팽창할 수 있어야 합니다. 또한 식물이 뿌리를 내리고 꽃을 피우기 위해 적절한 토양이 필요하듯, 주변의 지지 세포들과 상호작作用하며 영양분을 공급받아야 합니다. 연구자들은 이전에 콜라겐에서 유래한 젤라틴이라는 재료를 사용했는데, 이는 인체의 자연스러운 환경을 모방하고 세포가 그 위에 달라붙도록 돕기 때문입니다. 최근에는 초다공성 합성 물질인 울트라 퍼피 폴리(lactic-co-glycolic acid), 즉 UF-PLG도 살펴보았습니다. 이 재료는 매우 가볍고 자기 무게의 몇 배나 되는 액체를 흡수할 수 있어 색다른 종류의 구조를 제공합니다. 질문은 이 중 하나의 재료가 명확히 우월한지, 아니면 두 재료가 결합되어야 할 서로 다른 강점을 제공하는지였습니다.

한 연구팀이 이 재료들을 직접 비교하기 위해 연구를 수행했습니다. 그들은 3D 프린터를 사용하여 세 가지 다른 물질인 순수 젤라틴, 순수 UF-PLG, 그리고 UF-PLG를 젤라틴으로 코팅한 하이브리드 버전으로 미세한 스캐폴드를 제작했습니다. 그들은 구형의 난포를 물리적으로 받쳐줄 수 있는 모서리를 만들기 위해, 60도 각도로 배치된 5개 층의 스트럿(strut, 지지대)으로 구성된 특정 기하학적 패턴을 프린트했습니다. 그런 다음 어린 생쥐의 난소에서 추출한 이차 난포(secondary follicle, 모래알 크기의 작은 난자 주머니)를 가져왔습니다. 각 난포를 세 가지 유형의 스캐폴드 위에 올려놓고 영양분이 풍부한 액체 속에서 2일, 4일, 6일 동안 성장시켰습니다. 과학자들은 강력한 현미경으로 난포를 관찰하여, 난포가 얼마나 잘 부착되어 있는지, 형태를 유지하는지, 그리고 내부의 난자가 얼마나 성장했는지를 확인했습니다.

결과는 성능의 명확한 차이를 보여주었습니다. 순수 젤라틴으로 만든 스캐폴드는 난포를 안전하고 견고하게 유지하는 데 탁-월했습니다. 이 스캐폴드 위에 놓인 거의 모든 난포는 부착 상태를 유지했으며, 보호층이 파괴되지 않는 구조적 무결성을 유지했습니다. 또한 젤라틴은 주변 지지 세포들이 스캐폴드로 이동하여 난포를 감싸도록 유도함으로써, 강력하고 통합된 단위를 형성했습니다. 반면, 순수 UF-PLG 스캐폴드 위의 난포들은 상태가 좋지 않았습니다. 대부분의 난포가 구조물에서 완전히 떨어져 나갔으며, 붙어 있던 것들도 종종 보호 껍질이 터져 파열되었습니다. 두 재료를 결합한 하이브리드 스캐폴드는 부착력 측면에서는 중간 정도의 모습을 보였으나, 성장 측면에서는 놀라운 이점을 보여주었습니다.

젤라틴 스캐폴드가 난포를 제자리에 고정하는 데는 가장 좋았지만, 난포 내부의 난자가 완전한 크기로 성장하도록 돕는 데는 최고가 아니었습니다. 연구자들은 난자가 수정될 준비가 되었음을 나타내는 벤치마크인 '발달 역량(developmental competence)'에 도달했는지 확인하기 위해 난자의 직경을 측정했습니다. 생쥐의 경우, 난자가 역량을 갖추려면 약 70~72 마이크로미터의 직경에 도달해야 합니다. 젤라틴 스캐폴드 위의 난자들은 성장하기는 했지만, 이 목표치보다 작았습니다. 그러나 하이브리드 UF-PLG-젤 스캐폴드 위의 난자들은 평균 직경이 75.6 마이크로미터에 달하며 벤치마크보다 더 크게 성장했습니다. 이는 젤라틴이 난포가 파손되지 않도록 유지하는 데는 더 유리했지만, 하이브리드 재료가 난자가 더 자유롭게 팽창할 수 있는 환경을 제공했음을 시사합니다.

연구진은 스캐폴드를 더 단단하게 만드는 것이 결과에 변화를 주는지도 테스트했습니다. 그들은 재료를 단단하게 굳히는 접착제 역할을 하는 화학적 가교 결합(crosslinking)의 양을 늘렸고, 이로 인해 젤라틴 스캐폴드가 눈에 띄게 단단해졌음을 발견했습니다. 그러나 이러한 강도의 변화는 난포의 부착력이나 난자의 성장 정도에 극적인 변화를 주지는 않았습니다. 재료 자체의 차이가 물리적인 딱딱함의 차이보다 훨씬 더 중요했습니다. 이 발견은 재료의 화학적 성질이 난포의 행동을 결정하는 주요 동력이지, 단순히 물리적인 경도가 아니라는 점을 시사합니다.

이러한 발견은 인공 장기를 제작하는 방식에 대한 새로운 사고방식을 제시합니다. 오랫동안 과학자들은 조직을 안전하게 고정하면서 동시에 성숙을 돕는, 모든 것을 완벽하게 수행할 수 있는 단 하나의 재료를 찾기를 희망해 왔습니다. 본 연구는 그러한 '만능형' 재료는 존재하지 않을 수도 있다는 점을 시사합니다. 대신, 난포가 요구하는 안정성과 성장을 위한 요구 조건은 서로 다릅니다. 젤라틴은 구조를 온전하게 유지하는 데 필요한 안정성을 제공했고, UF-PLG 성분은 난자가 잠재력을 최대한 발휘할 수 있는 공간이나 신호를 제공하는 듯 보였습니다. 이는 미래의 효과적인 생체 인공 난소는 여러 재료를 정교하게 배치하여, 난포를 위한 안전한 집을 제공하는 동시에 난자가 성숙할 수 있는 허용적인 환경을 동시에 제공하도록 구축되어야 함을 의미합니다. 발달 단계마다 서로 다른 물리적 환경이 필요하다는 점을 이해함으로써, 과학자들은 가임력을 잃은 이들에게 가임력을 회복시켜 줄 수 있는 신뢰할 수 있는 솔루션에 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다.