DGIST 연구팀이 원하는 신체조직에 정밀하게 세포를 전달할 수 있는 줄기세포 전달용 스케폴드 마이크로 로봇을 개발하는 데 성공했다. '스케폴드(Scaffold)'란 다공성 구조체로 세포가 부착하여 잘 자랄 수 있게 하는 세포 지지체이며, 적은 면적에 많은 세포를 담지할 수 있는 구조를 말한다.

이번 연구성과는 정확한 양의 줄기세포 기반 치료세포를 신체조직 및 장기에 정밀하게 이식할 수 있어 퇴행성 신경계질환 치료 효율과 안전성을 높일 것으로 기대된다.

DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수팀은 DGIST-ETH 마이크로로봇 연구센터 김진영 선임연구원, 뇌‧인지과학전공 유성운 교수팀 및 문제일 교수팀, 서울성모병원 김성원 교수팀, 스위스취리히연방공대(ETH) 브래들리 넬슨(Bradley J. Nelson) 교수팀과의 국제공동연구를 통해 기존의 줄기세포 치료 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 ‘줄기세포 이송 및 이식이 가능한 스케폴드 마이크로 로봇’을 개발했다고 최근 밝혔다.

줄기세포 치료는 난치성질환 치료를 위한 재생의학으로 각광받고 있는 치료방법이다. 하지만 치료가 필요한 부위가 체내 깊숙한 곳이거나, 주입 시 위험이 따르는 부위에 정확한 양의 줄기세포를 원하는 곳에 이송이 어렵다는 단점이 있다. 특히 체내 줄기세포 전달 과정에서 유실량이 많아 치료효율 및 안전성이 낮다는 점과 치료비용이 높다는 점이 한계로 지적돼왔다.

DGIST 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 3D레이저 리소그라피 공정으로 구형(Spherical)과 나선형(Helical) 2가지 형태의 스케폴드 마이크로 로봇을 고안하였다. 외부 자기장을 이용한 무선제어 방식으로 체내에서 세포 유실량을 최소화하면서 줄기세포를 빠르고 정밀하게 이송할 수 있는 것이 이번 연구의 가장 큰 성과다.

주목할 점은 기존의 마이크로 로봇 연구들은 생리학적 환경이 아닌 정적인 외부 환경에서만 테스트를 한 반면, 이 연구에서는 세계 최초로 마이크로 로봇에 해마신경 줄기세포를 직접 배양하여 이를 성상교세포, 희소돌기신경교, 뉴런과 같은 원하는 특정세포로 분화시켜 원하는 표적에 정밀하게 전달 및 이식에 성공했다.

연구팀은 이러한 성과를 얻기 위해 체내 생리학적 환경을 모사한 미세유체소자 세포배양 시스템인 바디온어칩(Body-on-a-chip; BoC)내에서 마이크로 로봇을 이용하여 세포이송 및 이식과정을 보여줬다. 또한 쥐의 뇌를 적출하여 마이크로 로봇을 내경동맥에 주입 후, 외부 자기장을 이용해 전대 뇌동맥과 중간대 뇌동맥으로 이송하는데 성공했다.

특히 가톨릭대학교 서울성모병원 김성원 교수팀이 제공한 ‘사람 코 하비갑개 유래 줄기세포를 마이크로 로봇에 3차원으로 배양하여 누드마우스 체내에서 성공적인 실험으로 이끌어 낸 것도 이번 공동연구의 빛나는 성과다.

DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수는 “이번 연구결과를 통해 기존의 줄기세포 치료 방법으로는 접근하기 어려웠던 알츠하이머와 같은 중추신경계 치료 효율 및 성공률을 높일 수 있을 것으로 기대한다”며 “앞으로도 지속적으로 병원 및 관련 기업과 후속 연구를 진행해 실제 의료 현장에서 활용될 수 있는 마이크로 로봇 기반 정밀치료시스템을 개발하는데 노력하겠다”고 말했다.

이번 연구 결과는 세계적인 국제 과학 학술지 사이언스(Science)의 자매지인 로봇연구 분야 최고 국제학술지인 ‘사이언스 로보틱스(Science Robotics)’ 5월 30일자에 게재됐으며, 과학기술정보통신부와 산업통상자원부의 지원으로 수행됐다.