척수 손상 복구를 위한 3D 프린팅 스캐폴드

전 세계적으로 1,500만 명 이상이 척수 손상(SCI)과 함께 살아가고 있습니다. 미국만 해도 국가 척수 손상 통계 센터(National Spinal Cord Injury Statistical Center)의 자료에 따르면 30만 명이 넘는 사람들이 SCI로 고통받고 있습니다.

이러한 수치에도 불구하고 현재 손상의 손상을 되돌릴 방법은 없습니다. 그러나 SCI가 환자와 사회에 미치는 파괴적인 영향을 고려할 때, 연구자와 기업 모두 효과적인 치료법을 적극적으로 모색하고 있습니다.

척수 손상(SCI)의 전 세계적 피해

척수 손상(SCI)은 일상 활동을 수행하는 능력을 크게 제한하는 매우 쇠약한 상태입니다. 

척수는 뇌에서 허리까지 이어지는 중앙 신경 구조로, 손상이 발생하면 뇌와 몸 사이의 신경 신호 전달이 방해받습니다.

이 길고 원통형의 조직 관은 척추의 중앙을 관통하며, 척추뼈와 세 겹의 막으로 보호됩니다. 그러나 낙상, 교통 사고, 오토바이·자동차 충돌 등은 척수를 손상시킬 수 있습니다. 

남성이 여성보다 척수 손상에 더 많이 노출됩니다.

손상의 위치와 척수에 미치는 영향을 기준으로 경추(목), 흉추(상부 등 아래까지), 요추(허리), 천추(엉덩이·꼬리뼈)로 구분됩니다.

인간 척수는 총 31개의 구간으로 이루어져 있으며, 경추 8구간, 흉추 12구간, 요추 5구간, 천추 5구간, 꼬리뼈 1구간으로 구성됩니다. 

심각도에 따라 손상은 완전 손상(손상 부위 이하의 운동·감각 기능이 전혀 없음)과 불완전 손상(일부 기능이 보존됨)으로 나뉩니다.

척수 손상은 움직임, 기능, 감각에 영향을 미칩니다. 신체적 장애 외에도 정신·감정·사회적 부작용을 겪을 수 있습니다.

심각한 SCI는 마비를 초래할 수 있으며, 사망 위험도 존재합니다. 이 질환을 가진 사람들은 의료 서비스 접근성 부족이나 질 낮은 의료 서비스로 인해 조기 사망률이 높으며, 저소득·중소득 국가에서는 고소득 국가에 비해 입원 사망률이 거의 세 배에 달합니다.

척수 손상 환자는 또한 쇠약하고 때로는 생명을 위협하는 2차 합병증에 걸릴 위험이 높습니다.

어린이는 학교 진학률이 낮고, 진학하더라도 진급이 어려우며, 성인의 경우 실업률이 60%를 초과합니다. 낮은 교육·경제 참여율은 개인과 사회 모두에 막대한 비용을 초래합니다. 

SCI의 전 세계적 부담을 완화하려면 효과적인 치료법이 필수적입니다.

개발 중인 획기적인 척수 손상 치료법

전 세계 과학자들이 척수 손상을 복구할 방법을 찾기 위해 연구를 진행하고 있습니다. 새로운 치료법을 모색하는 연구는 전 세계적으로 진행 중이며, 손상 후 결과 개선의 문을 열고 있습니다.

몇 달 전, 획기적인 연구에서 연구진이 초박형 임플란트¹를 개발했습니다. 이 임플란트는 척수 바로 위에 위치해 전기 흐름을 전달함으로써 손상 부위에 자연 신호를 모방해 신경 치유를 촉진합니다.

쥐에게 테스트했을 때, 이 장치는 염증이나 기타 손상 없이 움직임과 촉각 감각을 회복시켰습니다.

“피부에 난 상처는 보통 스스로 치유되지만, 척수는 효과적으로 재생되지 않아 이러한 손상은 파괴적이며 현재 치료 불가능합니다.”

– 오클랜드 대학교 약학부 선임 연구원이자 수석 연구원인 브루스 하랜드 박사

그들의 임플란트는 이러한 상황을 바꾸고자 합니다. 장기적으로는 “삶을 바꾸는 척수 손상 환자들에게 혜택을 줄 수 있는 의료 기기”가 되는 것이 목표입니다.

올해 또 다른 연구에서 연구진은 폐쇄 루프 미주신경 자극(CLV)²과 맞춤형 재활을 결합해 SCI 회복률을 크게 높였습니다.

전기 펄스는 목에 이식된 작은 장치를 통해 뇌로 전달됩니다. 이 펄스는 재활 운동 중에 타이밍에 맞춰 전송되어, 물리 치료 중 미주신경을 자극하면 뇌의 손상 부위가 재배선되고 회복이 촉진된다는 것이 입증되었습니다.

이 연구는 실제 임상 시험으로 진행됐으며, 임플란트는 만성 불완전 경추 SCI 환자들의 팔·손 힘을 의미 있게 향상시켰습니다.

UT 달라스에서 10년 넘게 진행된 바이오엔지니어링·신경과학 연구를 바탕으로, 이 접근법은 현재 FDA 승인을 위한 마지막 관문을 넘기 위한 단계에 있습니다.

지난해 케임브리지 대학의 외과의사·신경과학자·엔지니어 팀은 ‘랩어라운드’ 임플란트³를 개발했습니다.

이 얇고 고해상도 전자 장치는 척수를 360도 둘러싸며 기록·자극이 가능하고, 통신이 차단된 완전 SCI를 우회할 수도 있습니다.

비록 치료제가 아직은 멀지만, 이 장치는 비침습적으로 인간 해부학의 미지 영역을 이해하는 데 도움을 주며, 더 나은 치료법 개발에도 기여합니다.

또 다른 연구는 아일랜드 왕립외과대학(RCSI)에서 진행되었습니다.

이 연구는 초박형 전기 전도성 메쉬를 갖춘 3D 프린팅 임플란트⁴를 상세히 소개했으며, 이는 척수 구조를 모방하고 손상 부위에 목표형 자극을 제공해 뉴런·줄기세포 성장을 촉진합니다.

섬유 배치를 조정해 장치 효율성을 높였으며, 이는 정형외과·심장·신경 재생 분야에 적용 가능성을 열었습니다.

한편, 러트거스 대학 연구진은 AI와 로보틱스를 활용해 SCI 치료에 접근했습니다. 그들은 고감도 치료용 단백질을 설계하여 효소인 콘드로이틴산 ABC(ChABC)를 안정화시켰습니다. ChABC는 SCI로 인한 흉터 조직을 감소시키고 조직 재생을 촉진하는 것으로 알려져 있습니다. 

ChABC 효소는 정상 체온(98.6°F)에서 매우 불안정해 몇 시간 내에 활성을 잃습니다. 따라서 치료 효과를 유지하려면 고용량을 반복 투여해야 합니다. 합성 공중합체는 효소를 둘러싸 환경을 보호해 안정성을 높일 수 있습니다.

연구진은 액체 취급 로보틱스를 이용해 다양한 공중합체를 합성·테스트했으며, 98.6°F에서도 ChABC 활성을 유지하는 공중합체를 여러 개 발견했습니다. 그 중 한 조합은 효소 활성을 일주일간 30% 유지했으며, 이는 SCI 환자에게 유망한 결과입니다.

현재 미네소타 대학교 트윈 시티스 연구팀은 미세 채널을 가진 3D 프린팅 스캐폴드를 구축해 줄기세포가 작동하는 신경 세포로 성장하도록 유도했습니다. 이 스캐폴드는 축삭 성장, 세포 성숙, 신경망 형성을 촉진합니다.

이 기술은 척수가 절단된 쥐의 움직임을 회복시켰으며, 인간 척수 손상 치료의 미래를 바꿀 잠재력을 보여줍니다.

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척수 복구를 위한 3D 프린팅 스캐폴드

임상 관리가 크게 발전해 환자의 삶의 질이 향상되었음에도 불구하고, 척수 손상은 여전히 발생하고 있습니다. 또한 현재 이를 위한 치료법은 존재하지 않습니다.

척수 손상의 복잡성을 고려할 때, 새로운 치료 옵션은 SCI 환자에게 크게 환영받고 유익할 것입니다.

새로운 연구는 부위 특이적 신경 전구세포(sNPCs) 이식이 기능 회복을 위한 핵심 접근법이라고 보고합니다. 이 세포들은 손상 부위와 연결된 신경 회로와 작동 연결을 형성하는 것으로 입증되었습니다. 

하지만, 재생 능력을 극대화하려면 이식 세포 집단을 정의하고 부위 특이적 세포를 손상 부위에 투여하는 것뿐 아니라, 이 세포들의 작용 메커니즘을 규명하는 것도 어려운 과제입니다. 

다양한 치료법이 기능적 이점을 보여주었지만, 급성·아급성 손상에서 주로 신경보호 메커니즘을 작동시키기 때문에 만성 SCI에는 적용되지 못합니다. 따라서 새로운 전략이 필요합니다. 예를 들어, 이식 세포를 신경 회로에 통합해 릴레이 메커니즘을 구축하는 것이 필요합니다. 

척수 오가노이드는 이 분야에 이상적인 기질입니다. 구조적으로 척수와 가장 유사하기 때문입니다. 여기서 3D를 이용한 신경 줄기세포 이식이 가능성을 보여주었습니다.

척수 내부에 직접 세포를 주입하는 것은 구조적 지지 부족으로 실현이 어렵습니다. 이 문제는 3D 프린팅 스캐폴드로 해결할 수 있습니다. 스캐폴드는 구조적 지지를 제공할 뿐 아니라, 세포에게 생물학적·기계적 안내도 제공합니다. 

3D 프린팅 기술은 세포를 함유한 스캐폴드를 제작해 병변 부위 형태에 맞출 수 있어, 이식 후 이식체·숙주 상호작용을 개선할 가능성을 보여줍니다. 

하지만 3D 프린팅 스캐폴드를 오가노이드에 적용하는 연구는 아직 초기 단계입니다.

그래서 미네소타 대학 연구진은 인간 유도 다능성 줄기세포(iPSC) 유래 sNPCs를 이용해 3D 프린팅 척수 오가노이드 스캐폴드를 제작했습니다. 이 세포는 면역 거부 반응을 회피합니다.

연구에 따르면 PSC 유래 부위 특이적 sNPCs는 이식 후에도 부위 특이성을 유지합니다. 대부분의 세포가 뉴런으로 분화해 손실·손상된 세포를 대체하고, 척수 조직을 재현합니다. 

프린팅 스캐폴드 재료로 팀은 실리콘을 선택했으며, 이는 의료 분야에서 널리 사용됩니다.  

천연 원소에서 유래한 실리콘은 고생체 적합성과 우수한 산화 저항성을 가진 합성 폴리머이며, 높은 가스 투과성으로 산소 요구 세포의 생존을 지원합니다.

또한 실리콘은 자연적으로 분해되지 않아, 프린팅된 세포가 오가노이드로 성장하도록 적합한 스캐폴드 재료이며, 분해되지 않아 형태를 유지합니다. 연구팀은 이전에 실험실 환경에서 실리콘 스캐폴드를 분석한 바 있습니다.

이러한 배경으로 팀은 절단된 척수를 가진 쥐에서 기능 회복을 촉진하기 위해 3D 바이오프린팅 실리콘 스캐폴드를 제작했습니다. 

희망과 치유 사이의 격차를 기능적 프레임워크로 메우다

이 새로운 접근법에서 미네소타 대학 연구진은 줄기세포 생물학, 실험실 조직, 3D 프린팅을 결합해 척수 손상을 치료했습니다.

혁신적인 과정은 다음 연구에서 상세히 소개되었습니다 3D-Printed Scaffolds Promote Enhanced Spinal Organoid Formation for Use in Spinal Cord Injury⁵, 이는 최근 피어 리뷰 저널 Advanced Healthcare Materials에 게재되었습니다.

새로운 연구를 통해 과학자들은 손상의 주요 과제인 신경 세포 사멸과 신경 섬유가 손상 부위를 가로질러 재성장하지 못하는 문제를 해결하고자 합니다.

그들이 만든 독특한 3D 프린팅 프레임워크는 실험실에서 배양된 장기를 위한 ‘오가노이드 스캐폴드’라고 불립니다. 미세 채널이 있는 3D 스캐폴드는 층별로 프린팅되었으며, sNPCs는 압출 기반 다중 재료 프린팅 시스템을 이용해 마이크로채널에 배치되었습니다.

sNPC는 인간 척수에 특이적으로 프로그래밍된 인간 줄기세포이며, 향후 척수 손상 후 세포 대체 치료에 사용될 목표를 가지고 있습니다. 이 세포들은 분열·분화해 특정 성숙 세포 유형으로 변합니다. 

뇌 유래 신경 줄기세포와 달리 sNPC는 숙주 척수에 통합돼 뉴런으로 분화하며, 신경 회복에 필수적인 신경망을 형성합니다. 

“우리는 스캐폴드의 3D 프린팅 채널을 이용해 줄기세포 성장을 유도함으로써 새로운 신경 섬유가 원하는 방향으로 성장하도록 보장합니다.” 라고 연구의 제1저자인 전 미네소타 대학 기계공학 박사후 연구원이자 현재 인텔에서 근무 중인 게부음 한(Guebum Han) 박사는 말했습니다. “이 방법은 척수에 배치될 때 손상 부위를 우회하는 릴레이 시스템을 만듭니다.”

연구진은 쥐를 대상으로 프레임워크의 실현 가능성을 테스트했습니다. 스캐폴드는 척수가 완전히 절단된 쥐에 이식되었으며, 세포는 성공적으로 뉴런으로 분화했습니다.

이식 12주 후, 대부분의 세포가 뉴런으로 분화했지만, 많은 세포가 숙주 척수로 뻗어 나갔습니다. 신경 섬유는 머리쪽(전방)과 꼬리쪽(후방) 모두로 연장되어 기존 신경 회로와 새로운 연결을 형성했습니다.

새로운 신경 세포는 시간이 지나면서 쥐의 척수 조직에 원활히 통합되어 상당한 기능 회복을 이끌었습니다. 미네소타 대학 신경외과 교수인 앤 파(Ann Parr) 교수는 다음과 같이 말했습니다:

“재생 의학은 척수 손상 연구에 새로운 시대를 열었습니다. 우리 연구실은 임상 전환을 위한 ‘미니 척수’의 미래 가능성을 탐구하게 되어 매우 기대됩니다.”

하지만 연구는 아직 초기 단계이며, 조기 단계임에도 불구하고 척수 손상 환자에게 변혁적인 새로운 치료법이 될 잠재력을 보여줍니다.

이 연구는 척수 손상 협회(Spinal Cord Society), 국립보건원(NIH), 미네소타 주 척수 손상·외상성 뇌손상 연구 보조금 프로그램의 지원을 받았으며, 연구팀은 현재 기술 생산 규모 확대를 목표로 하고 있습니다.

또한 팀은 향후 임상 적용을 위해 sNPC, 오가노이드 조립, 3D 프린팅 전략을 지속적으로 개발할 예정입니다.

차세대 척수 복구에 투자하기

세계 최대 의료기기 기업 중 하나인 Medtronic plc (MDT )는 임플란트·신경 인터페이스·FDA 승인 기기 분야에서 깊은 전문성을 보유하고 있습니다.

또한 통증 및 운동 장애를 위한 척수 자극기와 신경조절 장치를 개발했습니다.

이 회사의 충전식 척수 자극(SCS) 기기에는 Inceptiv와 Intellis, 그리고 충전이 필요 없는 Vanta가 포함됩니다. 이 작은, 편안한 크기의 장치는 폐쇄 루프 감지 기술과 체위에 기반한 치료 조정으로 개인 맞춤형 통증 완화를 제공하며, 사용자는 전신 MRI 검사를 받을 수 있습니다.

Medtronic의 비오피오이드 치료 옵션은 작은 전기 펄스를 전달해 통증 신호가 뇌에 도달하기 전에 차단함으로써 만성 통증을 완화하도록 설계되었습니다.

Medtronic plc (MDT )

올해 초, 이 회사는 다리 통증 및 만성 요통(CLBP) 환자를 대상으로 Inceptiv 폐쇄 루프 척수 자극기(CL‑SCS)의 임상 시험 1년 데이터를 공개했습니다. 데이터는 통증 감소, 신체 기능 및 삶의 질 향상, 과다 자극 감소 효과를 보여주었습니다.

폐쇄 루프 기능은 각 개인의 고유 생물학적 신호를 감지하고 필요에 따라 자극을 조절합니다. 

아일랜드에 본사를 둔 글로벌 헬스케어 기업은 70개 이상의 질환을 치료하는 기술·치료법을 통해 통증 완화·건강 회복·수명 연장을 목표로 하고 있습니다. 여기에는 인슐린 펌프·심장 기기·수술 도구·수술 로봇·환자 모니터링 시스템 등이 포함됩니다.

심장 분야는 Medtronic 매출의 37%를 차지하는 핵심 사업이며, 그 뒤를 신경과학·의료·외과·기타 분야가 잇습니다. 이들 분야는 주로 당뇨병 치료와 연관됩니다.

시가총액 1,180억 달러에 달하는 MDT 주식은 현재 주당 92.36달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 15.24% 상승했습니다. EPS(TTM)는 3.62, P/E(TTM)는 25.44이며, 배당 수익률은 3.09%입니다.

재무 측면에서, 세계 최대 매출을 기록하는 의료기기 기업은 2026 회계연도 1분기(2025년 7월 25일 종료) 매출이 86억 달러로 8.4% 증가했다고 보고했습니다.

GAAP 기준 희석 EPS는 0.81달러, 비GAAP 기준 희석 EPS는 1.26달러였습니다.

CEO인 제프 마사(Geoff Martha)는 지속적인 유기적 매출 성장과 다수 제품군의 강점을 강조했으며, CFO 티에리 피에통(Thierry Piéton)은 “제조·공급망·운영 비용 효율성을 통해 수익성 향상과 R&D·영업·마케팅 투자 확대”를 목표로 하고 있다고 밝혔습니다.

이번 달, 이 의료기기 제조업체는 투자 기회 모색 및 수익 성장 촉진을 위해 이사회에 두 명의 신규 이사를 추가했으며, 저조한 주가 성과를 개선하기 위해 성장 위원회를 설립했습니다.

Latest Medtronic plc (MDT) Stock News and Developments

Conclusion

척수 손상은 파괴적인 신경계 질환으로, 평생에 걸친 심각한 기능 장애를 초래합니다. 또한 개인·가족·보건 시스템에 큰 부담을 주어, 중추 신경계 핵심 부위를 개선하거나 복구할 더 나은 치료법을 찾는 것이 필수적입니다.

오가노이드, 바이오엔지니어링, 3D 프린팅을 활용해 연구자들은 의학이 직면한 가장 어려운 문제에 도전하고 있습니다. 인간용 치료법은 아직 수년이 남았지만, 규모를 확대하고 실현되면 수백만 명이 회복하고 독립성을 되찾을 수 있을 것입니다.

References:

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