Watch a robotic shoulder practice twisting and stretching human cells

비틀고 당기면서 인간 세포의 성장을 돕는 로봇 어깨

힘줄 세포는 실험실에서 제대로 배양하기 까다롭다. 그런데 사람이 움직일 때처럼 세포를 비틀고 잡아당기는 휴머노이드 로봇을 활용하면 이처럼 까다로운 세포를 배양하는 데 도움이 될지도 모른다.

실험실에서 배양한 인간의 힘줄 조직을 늘이고 누르고 비트는 ‘로봇 어깨’의 도움으로 조직 이식의 성공 확률이 올라갈 것으로 기대된다.

이처럼 이식 가능한 생체조직의 대용품을 만들어 생체 기능을 유지, 향상, 복원하는 것을 목표로 하는 학문을 조직공학(tissue engineering)이라고 하는데, 지금까지 인간 세포 표본으로 배양한 피부 세포, 연골, 심지어 기관까지 환자에게 이식된 적이 있다.

그러나 성장 과정에서 당기고 비트는 등의 작업이 필요한 힘줄 세포는 다른 세포들보다 실험실에서 배양하기가 더 어려웠다. 지난 20년 동안 과학자들은 한쪽 방향으로 반복해서 힘줄 세포와 조직을 잡아당기는 방식을 활용하여 힘줄 세포와 조직이 성장할 수 있게 했지만, 이러한 방식으로는 지금까지 인체에 이식했을 때 제대로 기능할 수 있는 힘줄 세포와 조직 이식편(移植片)을 만들어내지 못했다.

26일 커뮤니케이션스 엔지니어링(Communications Engineering)에 발표된 새 연구에선 실험실에서 배양한 힘줄 조직을 실제와 더 유사하게 만드는 데 휴머노이드 로봇을 활용하는 방법이 제시됐다.

연구팀을 이끈 옥스퍼드대학교의 피에르 알렉시스 무투이(Pierre-Alexis Mouthuy)는 “만약 우리가 병원에서 사용할 수 있을 정도로 좋은 품질의 이식편을 실험실에서 만들 수 있다면 환자의 상태를 개선하는 데 큰 도움이 될 것”이라면서 “어떤 개선점이라도 환영할 만하다”고 밝혔다.

연구팀은 1단계로 생물반응기(bioreactor)라고 하는, 세포를 수용하는 장치를 다시 설계하여 근골격계 조직과 같은 방식으로 세포를 구부리고 밀고 당기고 비틀 수 있는 휴머노이드 로봇 어깨에 부착했다.

기존의 생물반응기는 단단한 상자 같은 모양이었지만, 연구팀은 인간의 섬유아세포(fibroblast cell: 결합 조직에서 발견되는 길쭉한 세포)가 두 개의 단단한 블록 사이에 매달린 부드러운 플라스틱 지지체(scaffold) 위에서 자랄 수 있도록 유연한 모양의 생물반응기를 만들었다. 이어 이 생물반응기를 로봇 어깨에 부착했고, 로봇 어깨는 14일 동안 하루에 30분씩 인간처럼 팔을 들어 올리거나 돌리는 움직임을 재현했다.

실험 결과 로봇 어깨에 부착했던 생물반응기 안의 세포들은 스트레칭 작업을 진행하지 않은 표본들보다 더 빠르게 재생된 것으로 밝혀졌으며 유전자도 다른 방식으로 발현됐다. 물론 이러한 유전자 발현이 이식편의 품질에 어떤 영향을 미칠지는 아직 알 수 없지만, 연구팀은 기존 방식의 생물반응기에서 자란 세포와 새로운 생물반응기에서 자란 세포를 비교해서 자세히 조사할 예정이다.

이번 연구에 참여한 연구원은 아니지만 셰필드대학교에 출강하는 다나 데이미언(Dana Damian)은 “조직공학에 로봇을 사용하면 훨씬 현실적인 생체역학적 자극을 만들 수 있다”면서 “로봇을 활용하는 것은 돌파구라고 생각하며, 다음 단계는 로봇을 활용하면 기존의 생물반응기를 사용했을 때보다 세포 배양이 확실히 개선된다는 점을 알아내는 것”이라고 말했다.

이 기술은 회전근개 힘줄이 파열됐을 때 이를 고치는 조직을 만드는 데 사용될 수 있다. 회전근개 힘줄이 찢어지는 증상은 운동으로 인한 부상이나 성인에게 가장 흔한 어깨 통증의 원인인 힘줄염 같은 질병으로 인해 발생할 수 있는 매우 흔한 어깨 질환이다. 일반적으로 외과의사들은 찢어진 힘줄을 다시 뼈에 붙이기 위해 봉합술을 사용하는데 조직이 잘 회복되지 않기 때문에 수술의 40% 정도는 실패한다. 휴머노이드 로봇을 이용한 자극을 바탕으로 배양한 조직을 이식하면 더 성공적인 치유가 가능할지도 모른다.

제대로 기능하는 힘줄 조직 이식편을 만들려면 아직 갈 길이 멀지만 연구원들은 비슷한 접근법을 다른 식으로도 적용할 수 있다고 설명했다. 예를 들어, 생물반응기에서 더 나은 근육이나 인대를 배양하는 데도 휴머노이드 로봇을 활용할 수 있을 것이다. 또한 연구팀은 이식이 필요한 환자 개개인의 상태에 맞춰서 로봇을 제작할 수 있으며, 그러면 환자마다 적합한 조직을 만들 수 있다고 설명했다. (By Rhiannon Williams)

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