암 치료: 피부 절개 없이 신체 내부에서 바이오프린팅 수술 Bioprinting Inside the Body, Without Breaking the Skin
초음파 사용하면 조직, 치료법 등의 최소 침습적 3D 프린팅 가능
캘리포니아 공과대 연구팀
신체 내부에 연성 소재를 직접 3D 프린팅하는 새로운 기술을 사용하면 단 한 번의 절개도 하지 않고도 조직 깊숙한 곳에 복잡한 구조를 만들 수 있습니다.
Bioprinting Inside the Body, Without Breaking the Skin
https://spectrum.ieee.org/bioprinting-inside-the-body
이번 주 Science 에 공개된 접근 방식, 초점 초음파를 사용하여 조직과 같은 구조에 주입된 " 바이오 잉크 " 를 조각하여 암 치료 , 생체 전자 공학 및 재생 의학 에서 최소 침습적 응용 분야의 문을 열었습니다 .
캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology) 엔지니어들이 개발한 이 방법은 외과적 절개나 표면 접근 인쇄가 필요 없습니다. 대신, 연구원들은 바늘이나 카테터를 통해 맞춤 제작된 액체 잉크를 체내에 주입하기만 하면 됩니다.
그런 다음 실시간 초음파 영상을 사용하여 배치를 안내하고 고주파 음파의 두 번째 집중 빔을 보내 대상 부위를 몇 도 정도만 살짝 가열합니다. 이는 액체를 젤로 바꾸는 분자 연쇄 반응을 일으키기에 충분한 온도입니다.
"정말 흥미롭습니다."라고 매사추세츠주 케임브리지에 있는 하버드 의대와 브리검 여성병원 의 생의학 엔지니어인 유 슈라이크 장은 말했습니다 . 그는 이 연구에 참여하지 않았지만, "이 연구는 초음파 기반 프린팅의 범위를 실제로 확장하고 그 전환 가능성을 보여주었습니다."라고 덧붙였습니다.
노즐이 없어도 문제없어
이 방법을 실현하기 위해, 생체공학자 웨이 가오 와 그의 전 박사후 연구원 엘햄 다부디가 이끄는 캘리포니아 공과대학 팀은 기존 3D 프린팅 의 거의 모든 단계를 재고해야 했습니다 .
기존 프린터는 재료를 층층이 쌓기 위해 물리적 노즐에 의존했습니다. 하지만 심부 조직 생체 내 사운드 프린팅(DISP)이라고 불리는 이 새로운 기술은 노즐을 완전히 없애고, 고밀도 집중 음파를 사용하여 제어된 온도 스파이크를 생성하여 인쇄와 유사한 공정을 시작합니다.
이 시스템의 핵심은 리포좀입니다. 리포좀은 mRNA 백신 에 사용되는 것과 유사한 작은 지방 기반 캡슐 입니다. 이 캡슐은 정상 체온에서는 그대로 유지되지만, 잠깐 따뜻해지면 파열됩니다. 가오는 "섭씨 몇 도만 더 올라가도 방출됩니다."라고 설명합니다.
리포좀 내부에는 가교제가 함유되어 있습니다. 초음파의 가열 에너지에 의해 활성화되면, 이러한 가교제는 잉크에 있는 느슨한 고분자 가닥, 예를 들어 해초의 알지네이트나 돼지의 젤라틴과 같은 물질에 결합합니다. 이 두 물질은 모두 의학 연구와 치료 의 핵심입니다 . 이렇게 결합하면 안정적이고 생체적합성이 뛰어난 하이드로젤이 빠르게 형성됩니다 .
잉크에 담다
이 과정을 실시간으로 모니터링하기 위해 연구진은 기포(gas vesicle)를 추가했습니다. 기포는 단백질 껍질로 둘러싸인 나노구조체 로, 음파를 분산시키고 특수 초음파 설정에서 빛을 발산합니다. 이를 통해 연구팀은 잉크의 위치와 겔화 여부를 모두 시각화할 수 있습니다.
가오는 이 시스템이 내부 공정에 놀라운 정밀도를 제공했다고 언급했습니다. 별, 눈물방울, 바람개비 등의 패턴을 만들 수 있었는데, 초당 최대 40mm의 속도로 하이드로젤을 적층하여 150마이크로미터의 해상도를 구현할 수 있었습니다. 이는 대략 사람 머리카락 굵기 정도입니다.
연구팀은 모양을 인쇄하는 것 외에도, 감지 장치용 전기 전도성 나노소재 , 조직 복구를 촉진하는 생체 세포 , 상처를 봉합 하거나 임플란트 를 고정하는 데 도움이 되는 생체 접착제 등 기능성 첨가제로 잉크를 맞춤 제작했습니다.
"꽤 다양하게 활용될 수 있죠." 현재 솔트레이크시티에 있는 유타대학교에서 3D 생체인쇄 연구자로 활동 중인 다부디의 말이다.
토끼 발자국과 종양 타격
연구진은 DISP가 의학적 환경에서 잠재력을 가지고 있음을 보여주기 위해 쥐와 토끼라는 두 가지 동물 모델을 이용해 실험을 진행했습니다.
쥐를 대상으로 방광 종양 근처에 서방형 약물 저장소를 인쇄했습니다. 일반적인 화학요법 약물인 독소루비신이 함유된 바이오 잉크를 사용하여, 이 치료 약물이 시간이 지남에 따라 천천히 방출되도록 설계된 부드러운 저장소를 만들었습니다. 목표는 약물이 종양 부위에 농축된 상태를 훨씬 더 오랫동안 유지하는 것입니다. 이는 몇 시간 안에 체외로 배출되는 일반적인 방광암 치료법보다 더 오래 지속됩니다.
또한, 그들은 토끼를 이용해 접근 방식의 깊이 범위를 시연하고, 피부 아래 수 센티미터 깊이의 근육 조직 내부에 하이드로겔 스캐폴드를 인쇄했습니다.
바이오 잉크는 내약성이 우수했으며 부작용 징후는 없었습니다. 하지만 만약 제거가 필요할 경우를 대비하여, 연구진은 실험실에서 돼지와 닭의 조직을 사용하여 인쇄된 하이드로젤 이 중금속 중독 치료에 흔히 사용되는 화학물질에 선택적으로 용해될 수 있음을 입증했습니다.
가오는 "장기나 조직에 인쇄할 수 있을 뿐만 아니라, 인쇄한 것을 제거할 수도 있다"고 말했다.
메스를 꺼내고, 음파를 들여오다
DISP는 체내 바이오 프린팅 의 첫 시도가 아니었습니다 . 초기 접근법은 적외선에 초점을 맞추 었지만 조직 침투와 빛 산란에 어려움을 겪었습니다. 한편, 초음파를 사용하여 화학 반응을 직접 유발하는 후속 연구들은 미세 기포 형성 이나 주변 조직을 손상시킬 수 있는 과도한 열 발생과 같은 심각한 단점을 안고 있었습니다 .
대신 초음파를 사용하여 엔지니어링된 리포좀을 활성화하고 주변 조직에 대한 열적 위험을 최소화하면서 간접적으로 생체 인쇄 반응을 시작함으로써 Caltech 팀은 이러한 문제를 회피하고 더 큰 제어력, 더 빠른 인쇄 속도, 향상된 생체 적합성을 얻었습니다.
이 기술은 아직 임상 적용까지는 갈 길이 멀다. 하지만 다부디는 이 기술이 3D 생체 프린팅 소재를 이용한 더욱 정밀하고 덜 침습적인 치료를 향한 중요한 진전을 의미한다고 지적한다. 특히 기존 수술이 위험하거나 비실용적이거나 바람직하지 않은 경우에 더욱 그렇다.
그녀는 "이것은 생체인쇄 분야의 새로운 연구 방향입니다."라고 말했습니다.
Bioprinting Inside the Body, Without Breaking the Skin
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