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차세대 정형외과용 의료기기, 환자 맞춤형 골 재생 치료 기술 활용 기대

세계적 권위 국제 학술지 ‘Science Advances’ 논문 게재

서울대학교 공과대학은 화학생물공학부 황석연 교수 연구팀이 골다공증성 골절 치유 과정에서 마그네슘 이온(Mg²⁺)의 방출 시점을 정밀하게 조절해 염증성 면역반응을 완화하고 골 재생을 촉진하는 새로운 생체세라믹 골절 고정 소재를 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 골절 치유 과정에서 마그네슘 이온이 항상 뼈 재생을 돕는 것이 아니라 방출되는 시기와 지속 시간에 따라 면역반응과 골 재생 효과가 달라진다는 사실을 규명했다. 이를 바탕으로 치유 단계에 맞춰 마그네슘 이온을 방출하는 골절 고정 소재를 제시하고, 동물 실험을 통해 골 재생 효과를 입증했다.

아울러 골절 치료용 소재를 단순히 뼈를 고정하는 장치가 아니라 치유 단계에 맞춰 면역반응을 조절하는 치료 기술로 발전시킬 수 있는 가능성을 제시했다. 이번에 새로 개발된 소재 기술은 향후 골다공증성 골절 환자를 위한 차세대 정형외과용 의료기기와 환자 맞춤형 골 재생 치료 기술 개발에도 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구성과는 지난 6월 26일 세계적 권위의 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 게재됐다.

연구 배경

고령층에서 흔하게 발생하는 ‘골다공증성 골절’은 골다공증에 의해 강도가 약해진 뼈가 외상에 의해 쉽게 골절되는 질환이다. 이는 단순히 뼈의 밀도가 낮아져 발생하는 구조적 손상에 그치지 않는다. 이때 골절 부위에서는 염증성 보조 T 세포*와 대식세포*가 과도하게 활성화되면서 골 흡수를 촉진하고, 이로 인해 골 재생이 지연되거나 재골절 위험이 높아질 수 있다. 따라서 골다공증성 골절 치료에서는 뼈를 물리적으로 고정하는 것뿐 아니라 골절 부위의 면역 미세환경을 적절한 시점에 조절하는 기술이 중요하다.

* 염증성 보조 T 세포: 염증 반응을 유도하는 보조 T 세포의 일종이다. 골절 부위에서 과도하게 활성화되면 골 재생을 방해할 수 있다.
* 대식세포: 몸속에 들어온 이물질이나 손상된 세포를 제거하고 염증 반응을 조절하는 면역세포다. 골절 부위에서는 초기 염증 반응과 이후 조직 회복 과정에 모두 관여한다.

한편 ‘마그네슘 이온’은 뼈 형성과 혈관 생성을 돕고 염증 반응을 완화할 수 있어 정형외과용 생체재료 분야에서 유망한 소재로 주목받아 왔다. 그러나 기존 연구에서는 마그네슘이 항상 골 재생에 유리하게 작용하지는 않는다는 지적이 제기돼 왔다. 골절 부위의 면역세포가 마그네슘에 과도하거나 장기간 노출될 경우 오히려 염증 반응을 다시 활성화하고 골 재형성을 방해할 수 있다는 것이다.

특히 골다공증성 골절에서는 염증 반응이 쉽게 과도해질 수 있어 마그네슘 이온의 농도와 노출 시간이 골절 치유에 미치는 영향을 정확히 규명하는 것이 중요했다. 그러나 마그네슘 이온이 CD4+ T 세포*와 대식세포, 파골세포* 등 골절 치유와 골 재생에 관여하는 세포를 시간에 따라 어떻게 조절하는지는 아직 명확히 밝혀지지 않았다.

* CD4+ T 세포: 면역반응을 조율하는 대표적인 보조 T 세포로, 주변 신호에 따라 Th1 또는 Th2 등 여러 유형으로 나뉠 수 있다.
* 파골세포: 오래된 뼈 조직을 분해·흡수해 새로운 뼈가 만들어지는 과정에 필요한 세포로, 뼈의 재형성에 중요한 역할을 한다.

연구 성과

이러한 문제의 규명에 나선 황석연 교수팀은 마그네슘 이온이 골절 부위의 면역반응을 ‘얼마나 많이, 얼마나 오래’ 조절하느냐에 따라 뼈 회복 과정이 달라질 수 있다는 사실을 확인했다. 특히 골절 직후 강한 염증 반응이 일어나는 시기에는 마그네슘 이온이 CD4+ T 세포 내 칼슘 신호를 조절해 과도한 염증 반응을 억제하고, 손상된 조직이 회복되기 쉬운 환경을 조성한다는 점을 밝혀냈다.

구체적으로 마그네슘 이온은 골절 초기 염증 단계에서 면역세포를 과도하게 활성화하는 신호(TRPM7 매개 칼슘 신호*와 NFATc1 기반 염증 경로*)를 억제했다. 그 결과, 염증을 촉진하는 면역반응(Th1/M1)은 줄어들고, 조직 재생과 회복을 돕는 면역반응(Th2/M2)은 활성화됐다.

* TRPM7 매개 칼슘 신호: TRPM7은 세포막에 있는 통로 단백질로, 칼슘 등 2가 양이온의 이동과 세포 신호 전달에 관여한다.
* NFATc1 기반 경로: NFATc1은 세포 안에서 특정 유전자 발현을 조절하는 단백질로, 면역반응과 파골세포 형성 등에 관여한다.

다만 골절 부위에서 마그네슘 이온이 많거나 오래 유지된다고 해서 항상 골절 치유에 도움이 되는 것은 아니었다. 연구팀은 고농도의 마그네슘이 장기간 유지될 경우 오히려 CD4+ T 세포로의 면역 신호 전달 방식이 바뀌면서 염증을 촉진하는 면역반응(Th1/M1)이 재활성화될 수 있음을 확인했다. 이는 마그네슘 기반 골 재생 소재를 설계할 때 단순히 많은 양의 마그네슘을 방출하는 것이 아니라 골절 치유 단계에 맞춰 방출량과 방출 시간을 정밀하게 조절해야 한다는 점을 보여준다.

연구팀은 이러한 원리를 바탕으로 골절 초기에는 마그네슘 이온을 빠르게 방출하고 이후에는 방출량이 점차 줄어드는 ‘생체세라믹 코팅 골수강내 고정핀(intramedullary nail, IMN)’을 개발하는 데 성공했다. 그리고 이를 골다공증성 골절을 모사한 난소절제 마우스 모델에 적용한 결과, 골절 초기에는 과도한 염증 반응을 억제하고, 이후 뼈가 다시 형성되는 단계에서는 조직 회복을 돕는 면역반응을 강화하는 효과를 확인했다. 그 결과, 골절 치유의 전 과정에서 면역 균형이 보다 안정적으로 유지되고, 골 재생도 효과적으로 촉진됐다.

이로써 연구팀은 골절 치료용 소재가 단순히 부러진 뼈를 고정하는 역할을 넘어 치유 단계에 맞춰 골절 부위의 면역반응을 조절해 회복을 돕는 능동형 치료 플랫폼으로 발전할 수 있음을 입증했다.

기대 효과

이번 연구는 골다공증성 골절 치료를 위한 차세대 생체재료를 보다 효과적으로 설계하는 새로운 기준을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 특히 골절 부위를 안정적으로 고정하는 동시에 염증을 조절하고 골 재생을 촉진할 수 있는 생체세라믹 골절 고정 소재 기술은 고령화로 골다공증성 골절 환자가 늘어나는 상황에서 임상적 활용 가능성이 높다는 평가를 받는다.

그리고 연구팀이 제시한 ‘시간분할 마그네슘 이온 방출’ 전략은 향후 골절 고정핀과 인공 뼈, 생체세라믹 코팅 임플란트 등 다양한 정형외과용 의료기기에 적용될 수 있다. 나아가 환자의 뼈 상태와 염증 정도에 맞춰 골 재생을 돕는 치료 기술의 개발에도 활용될 것으로 기대된다.

연구책임자 의견

황석연 교수는 “이번 연구는 마그네슘 이온의 골 재생 효과가 단순히 농도만으로 결정되는 것이 아니라 골절 치유 과정에서 면역세포가 어떤 자극 환경에 놓여 있는지와 치료 시점에 따라 달라진다는 점을 규명했다는 데 의미가 있다”며 “앞으로 골다공증성 골절 환자의 회복을 위한 면역조절 기능을 갖춘 정형외과용 소재 개발로 이어질 것으로 기대한다”고 밝혔다.

연구진 진로

논문의 제1저자인 김정훈 연구원은 서울대학교 화학생물공학부 및 공학연구원에서 박사후연구원으로 재직하며, 생체재료 기반 골 재생 및 골면역 조절 기술 연구를 수행하고 있다. 향후 골다공증성 골절 치료를 위한 면역조절형 생체소재와 정밀 재생의학 플랫폼 개발 연구를 이어갈 계획이다.

한편 이번 연구는 교육부 지원 한국연구재단 Post-Doc 성장형 공동연구사업, 범부처재생의료기술개발사업단(KFRM), 범부처전주기의료기기연구개발사업단(KMDF)의 지원을 받아 수행됐다.

※ 참고 자료

- 논문명/저널: Temporal immunomodulation of CD4+ T cells by magnesium regulates osteoimmune responses in osteoporotic fracture healing, Science Advances
- 제1저자: 김정훈, 서울대학교 화학생물공학부 박사후연구원
- 교신저자: Nathaniel S. Hwang, 서울대학교 화학생물공학부 교수
- DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.aeb2091

웹사이트:https://eng.snu.ac.kr/