사고나 외상으로 발생하는 외상성 뇌손상을 수술 없이 치료할 수 있는 비침습적 줄기세포 전달 기술이 개발됐다.
이는 고위험 뇌 수술에 의존해 온 기존 치료 방식에서 벗어나, 보다 안전하고 반복 적용이 가능한 새로운 뇌 치료 패러다임이라는 점에서 관심이 높아지고 있다.
한림대학교춘천성심병원 이비인후과 박찬흠 교수(교신저자)팀은 코 안쪽 점막을 통해 약물이나 세포를 뇌로 직접 전달할 수 있는 ‘비강 전달 경로’에 주목했다.
교수팀은 바이오리액터(생물반응기) 시스템을 활용해 줄기세포를 대량으로 배양한 뒤, 이를 고기능성 집합체인 신경구 형태로 제조했다.
이렇게 만들어진 신경구는 실크 단백질(피브로인) 등이 포함된 특수 하이드로젤에 담겨 비강으로 주입한다.
핵심 기술인 ‘하이드로젤 캡슐화’는 줄기세포를 감싸 보호함으로써 체내 생존율을 높였으며 신경구에서 분비되는 다양한 치료 유효 인자(세포 분비 물질)가 뇌 손상 부위로 전달될 수 있도록 하여 치료 효과를 극대화한다.
▲ [그림1] 비강을 통해 전달된 줄기세포 치료제의 치료 효과 비교 실험 그래프
(a) 뇌손상 유발 후 10분 이내에 줄기세포 신경구가 담긴 하이드로젤을 투여하여 1일부터 7일까지 매일 쥐의 상태를 확인하고, 마지막 7일째에 조직 검사를 통해 치료 효과를 입증했다는 계획표다.
(b) 대조군보다 치료군의 점수가 훨씬 빠르게 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 특히 그래프에 표시한 별표(*)는 투여 3일째부터 치료 효과가 통계적으로 나타나기 시작함을 의미한다.
(c) 시간이 지날수록 치료군이 대조군보다 치료 효과가 압도적으로 높아지는데 7일째부터는 치료를 받지 않은 대조군보다 회복 폭이 2배 이상 컸음을 확인했다.
◆동물 실험에서 빠른 뇌 기능 회복 효과 확인
교수팀은 실제 사고 상황과 유사한 외상성 뇌손상을 입은 동물 실험을 통해 줄기세포 신경구 치료 효과를 확인했다.
실험 결과, 치료를 받은 그룹은 단 3일 만에 뇌 기능 회복이 시작됐으며, 1주 뒤에는 치료받지 않은 그룹보다 2배 이상 빠른 회복 속도를 보였다.
특히 기억과 학습을 담당하는 뇌의 핵심 부위에서 손상으로 줄어들었던 회복 관련 물질이 정상 수준에 가깝게 되살아났다. 그 결과 죽어가던 뇌세포가 다시 살아나고 새로운 신경세포가 유지되면서 뇌 조직이 회복됐다.
또한 뇌 손상 이후 쌓이던 독성 물질과 스트레스 요인이 치료군에서 크게 줄어들어 손상된 뇌 환경이 정화되는 효과도 있었다. 이와 함께 뇌세포 간 연결 구조 역시 안정적으로 유지돼 사고로 끊어질 수 있었던 뇌 신경망이 보호된 것으로 나타났다.
교수팀은 이번 결과가 단순히 손상을 늦추는 수준을 넘어 손상된 뇌가 스스로 회복할 수 있는 환경을 만들어주는 치료 가능성을 보여준다고 설명했다.
▲ [그림2] 마스터 세포 은행 시스템 과정 이미지
(A) 바이오리액터(생물반응기) 내에서 배양된 줄기세포의 실제 모습. 수동 배양이 아닌 자동화 시스템을 통해 세포가 건강하게 증식했음을 보여준다.
(C) 이렇게 증식한 세포가 실제로 지방, 뼈, 연골 등으로 잘 변하는지 확인한 사진으로 대량 생산 후에도 재생 기능(품질)이 완벽함을 보여준다.
◆줄기세포 치료제의 대량 생산 가능성 입증
더 나아가 교수팀은 줄기세포를 자동으로 대량 배양할 수 있는 ‘바이오리액터’ 시스템을 이용해 ‘마스터 세포 은행(Master Cell Bank)’을 구축하는 데 성공했다.
마스터 세포 은행은 신경구의 원형이 되는 ‘중간엽줄기세포’를 안전하게 보관해 두고 이를 바탕으로 동일한 성능의 세포를 반복 생산하는 방식이다.
이를 통해 짧은 기간 안에 치료에 필요한 수의 줄기세포를 안정적으로 확보할 수 있게 됐다. 이렇게 구축된 세포 은행의 줄기세포는 소량씩 나누어 냉동 보관되며 필요할 때마다 언제든 동일한 품질의 세포를 사용할 수 있도록 체계적으로 관리된다.
교수팀은 이 시스템을 통해 저장된 줄기세포들이 세포 고유의 성질과 분화 능력을 그대로 유지하고 있음을 확인했다. 이는 대량 생산과 보관 과정을 거쳤음에도 세포가 변질되지 않고, 치료제로서의 효능과 안전성을 온전히 갖추고 있음을 입증한 결과다.
이번 연구는 줄기세포 치료가 단순한 연구실 실험에 그치지 않고, 실제 임상 현장에 적용되기 위해 필수적인 ‘제품 표준화’와 ‘대량 생산(양산) 가능성’을 동시에 보여줬다.
박찬흠 교수는 “위험한 뇌 수술 없이 비강을 통해 줄기세포를 전달하는 이번 기술은 환자의 안전성과 치료 효과를 동시에 확보할 수 있는 혁신적인 방법”이라며 “외상성 뇌손상뿐만 아니라 파킨슨병, 알츠하이머 등 다양한 난치성 뇌 질환 치료 영역으로 확장해 나가겠다”고 말했다.
이어서 “이번 연구는 병원에서 사용할 수 있는 고품질 줄기세포 치료제를 안정적으로 공급할 수 있는 상용화 기반을 마련했다는 점에서 의미가 크다”며 “이번 연구가 파일럿 연구로 진행된 만큼, 향후 추가적인 보완과 후속 연구를 통해 치료 효과와 안정성을 더욱 검증해 나갈 계획“이라고 덧붙였다.
이번 연구 결과는 국제 저널인 ‘APL Bioengineering, 피인용지수(I.F : 4.1)’에 2026년 1월에 ‘외상성 뇌손상에서 급성 신경 보호를 위한 하이드로겔 기반 인간 제대 유래 줄기세포 신경구의 비중격 전달 기술(Trans-septal delivery of hydrogel-encapsulated human umbilical cord MSC-derived neurospheres for acute neuroprotection in traumatic brain injury)’이라는 제목으로 게재됐다.
한편 외상성 뇌손상은 갑작스러운 충격으로 신경세포가 손상되거나 사멸해 인지 기능과 운동 기능 저하를 유발하는 중증 질환이다.
현재까지 손상된 뇌 기능을 근본적으로 회복할 수 있는 치료법은 제한적이며, 줄기세포를 뇌에 직접 주입하는 기존 치료 방식은 침습적인 수술이 필요하고 세포 생존율이 낮다는 한계가 있었다.
[메디컬월드뉴스 김영신 기자]
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