이소체 바이오프린팅, 보다 효과적인 당뇨병 치료를 위한 문을 열다

최근 포항공과대학교(POSTECH) 연구진이 발표한 연구는 보다 효과적인 당뇨병 연구와 치료를 위한 문을 열었습니다. 새로운 접근법은 바이오프린팅을 활용해 췌장 이소체의 성숙을 재현합니다. 이 개발은 과학자들이 당뇨병의 복잡성을 더 깊이 이해하고 수백만 명의 생명을 구하는 데 도움이 될 잠재력을 가지고 있습니다.

당뇨병이란

당뇨병은 혈액 내 포도당(당) 수치가 상승하는 만성 건강 상태입니다. 이는 췌장이 충분한 인슐린을 생산하지 못하거나(인슐린은 혈류의 포도당을 세포로 이동시키는 호르몬) 몸의 세포가 인슐린에 제대로 반응하지 못하기 때문에 발생합니다. 포도당은 신체에 필수적인 에너지 원이며, 인슐린은 그 수준을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다.

이 시스템이 제대로 작동하지 않으면 포도당이 세포에 효율적으로 사용되지 않고 혈류에 축적됩니다. 시간이 지나면서 지속적인 고혈당은 신경, 심장, 신장, 눈, 혈관 등에 심각한 합병증을 초래할 수 있습니다.

전 세계적으로 당뇨병은 점점 더 큰 문제로 대두되고 있습니다. 국제당뇨병연맹에 따르면 전 세계 성인 인구의 약 10.5%가 어느 형태이든 당뇨병을 앓고 있습니다. 미국에서는 질병통제예방센터(CDC)의 추정에 따르면 약 3,810만 명, 즉 전체 인구의 약 11.6%가 당뇨병을 가지고 있습니다. 연령이 높아질수록 발병 가능성이 증가하며, 선진국에서 유병률이 더 높지만 개발도상국에서도 급격히 상승하고 있습니다.

당뇨병에는 여러 유형이 있지만, 가장 흔한 두 가지는 1형과 2형입니다.

1형 당뇨병

1형 당뇨병은 자가면역 질환으로, 몸의 면역 체계가 실수로 췌장의 인슐린 생산 베타 세포를 공격하고 파괴합니다. 그 결과 인슐린이 거의 혹은 전혀 생산되지 않아 혈당을 자연스럽게 조절할 수 없게 됩니다. 이로 인해 포도당이 혈류에 축적됩니다.

1형 당뇨병은 주로 어린이와 청년에게 진단되며, 과거에는 “소아 당뇨병”이라고 불렸습니다. 그러나 모든 연령에서 발병할 수 있습니다. 1형 당뇨병 환자는 현재 치료법이 없기 때문에 평생 매일 인슐린 치료를 받아야 합니다. 이 형태는 전체 당뇨병 환자의 약 5~10%를 차지합니다.

2형 당뇨병

2형 당뇨병은 전 세계적으로 가장 흔한 당뇨병 형태입니다. 몸이 인슐린에 저항성을 보이거나 췌장이 충분한 인슐린을 생산하지 못할 때 발생합니다. 1형과 달리 자가면역 질환이 아니라, 과체중, 잘못된 식습관, 신체 활동 부족, 고혈압 등 수정 가능한 위험 요인과 유전적 소인이 복합적으로 작용합니다.

2형 당뇨병은 일반적으로 수년에 걸쳐 서서히 진행되며 초기에는 눈에 띄지 않을 수 있습니다. 식단 개선, 신체 활동 증가, 체중 관리와 같은 생활 습관 변화가 첫 번째 치료 단계이며, 이는 질병의 위험이나 진행을 크게 감소시킬 수 있습니다. 경우에 따라서는 경구용 약물이나 인슐린 치료가 필요할 수도 있습니다.

당뇨병에 대한 현재 연구 및 치료법

가장 일반적인 치료법은 인슐린 주사 혹은 인슐린 감수성을 높이는 약물 복용입니다. 이 접근법은 질병 악화를 방지하는 데 효과적이지만, 평생 주사를 필요로 하고 치료 비용이 높으며 근본 원인을 해결하지 못합니다.

치료법이 없다는 점을 인식한 과학자들은 당뇨병이 발생할 수 있는 환경을 재현하려는 연구에 착수했습니다. 이 연구에서는 줄기세포를 이용해 췌장 세포를 생성합니다. 실험실에서 배양된 이러한 세포는 환자를 직접 사용하지 않고도 약물 제조업체와 치료 전문가가 다양한 옵션을 시험할 수 있게 해 주어, 당뇨병 퇴치에 중요한 역할을 합니다.

현재 당뇨병 치료의 한계

수년간의 연구 결과, 췌장의 환경을 충분히 안정적으로 재현하는 것이 매우 어렵다는 것이 밝혀졌습니다. 과거 엔지니어들은 실험실에서 배양된 줄기세포(SC) 유래 췌장 세포가 자연 상태의 세포와 동일하게 작동하지 않는다고 지적했습니다.

연구자들은 이러한 현상이 삼차원 외부 미세환경과 혈관 주변 조직에서 발견되는 핵심 특성의 부족 때문이라고 판단했습니다. 다행히도 혁신적인 엔지니어 팀이 새로운 접근법을 제시해 이 문제를 해결했으며, 보다 효과적인 치료법 개발의 문을 열었습니다.

POSTECH 연구 개요

Bioprinting of bespoke islet-specific niches to promote maturation of stem cell-derived islets¹이라는 논문은 Nature Communications에 게재되었으며, 췌장 이소체를 생성하는 새로운 방법을 소개합니다. 이 전략은 췌장 이소체, 세포외 기질(ECM), 혈관의 기능적 협조를 촉진하는 프린팅 기술에 기반합니다.

출처 – POSTECH

췌장 이소체

췌장 이소체는 인슐린을 분비해 혈당을 조절하는 역할을 합니다. 이소체에는 베타 세포(인슐린 생산), 알파 세포(글루카곤 생산), 델타 세포(소마토스타틴 생산) 등 다양한 내분비 호르몬 세포가 존재해 신체의 발달과 기능에 핵심적인 역할을 합니다.

세포외 기질 (ECM)

특히, 췌장 이소체는 단백질과 생체분자로 가득 찬 세포외 기질(ECM) 안에 자리 잡고 있습니다. ECM은 세포의 구조적·생화학적 성장에 필수적이며, ECM이 손상되면 포도당 생산에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

연구에 따르면, 췌장 ECM은 기저막(BM) 단백질의 약 2%만을 차지합니다. 이러한 단백질은 내분비 세포의 ECM 결합 친화도와 인테그린 신호 전달을 안정화하는 데 중요한 역할을 합니다.

혈관계

광범위한 정맥망이 췌장 이소체와 ECM에 혈류를 공급합니다. 이 혈관계는 ECM에 영양을 제공해 이소체가 인슐린을 분비하여 혈당을 낮추는 핵심 기능을 지원합니다.

연구에서 3D 바이오프린팅의 역할

바이오프린팅은 살아있는 재료를 이용한 3D 프린팅 형태로, 복잡한 생체 환경을 제작해 테스트와 연구에 최적화할 수 있습니다. 이번 연구에서 엔지니어들은 바이오프린팅 기반의 기하학적 가이드를 만들어 자연 이소체 주변 구조를 재구성했습니다.

HICA-V 플랫폼

HICA-V라 명명된 새로운 프린팅 전략은 줄기세포 유래 이소체 세포와 혈관 구조를 체내와 동일하게 생성할 수 있습니다. 시스템은 기하학적 가이드를 사용해 이소체 주변의 공간 패턴을 재현했으며, 이를 통해 이소체가 완전하게 발달하도록 췌장 조건을 재현했습니다.

또한, 연구팀은 살아있는 듯한 췌장 니치를 바이오엔지니어링했습니다. 이는 췌장 조직 특이적 ECM과 기저막 단백질을 적절히 조합함으로써 달성되었습니다.

PINE Bioink: 췌장 환경 재현

연구팀은 췌장 이소체 조건을 재현하기 위해 새로운 바이오잉크를 개발해야 했습니다. 이를 위해 과학자는 PINE(Peri‑islet Niche‑like ECM)이라는 특수 바이오잉크를 만들었습니다.

이 잉크는 기저막 단백질을 포함한 완전한 ECM을 제공해 이소체 성장에 필수적인 요소를 담고 있습니다. 흥미롭게도 엔지니어들은 실제 췌장 조직에서 추출한 라미닌과 콜라겐 IV를 사용해 잉크를 제조했습니다.

실험 절차 및 테스트

연구팀은 발견이 정확함을 입증하기 위해 여러 테스트를 설계했습니다. 먼저 탈세포화된 돼지 췌장 조직을 준비했으며, 스피너 플라스크를 이용해 자연 이소체와 매우 유사한 이소체‑유사 클러스터를 생성하는 응집 과정을 활용했습니다.

POSTECH 연구 결과

테스트 결과, HICA‑V 플랫폼에서 배양된 세포는 원래 이소체와 유사한 특성을 보였으며, 프린팅된 세포는 인슐린 생산이 증가했습니다. 또한 엔지니어들은 당뇨병 상태에서 나타나는 병리학적 반응을 재현하는 데 성공했습니다.

이 결과는 프린팅 방법이 인간 내분비 췌장의 구조와 기능을 구현할 수 있음을 보여주며, 프린팅된 세포가 완전한 기능성 이소체로 발달해 고급 연구와 차세대 치료법 개발의 문을 열었습니다.

당뇨병 치료의 장점

이 연구가 큰 발견인 이유는 여러 가지가 있습니다. 첫째, 약물 제조업체와 의료 전문가가 치료 효과를 모니터링할 수 있는 안정적이고 접근성이 높은 테스트 옵션을 제공한다는 점입니다.

또 다른 큰 장점은 3D 프린터를 활용해 제작할 수 있다는 점입니다. 이 접근법은 더 안정적이며 접근성이 용이합니다. 또한 결과를 즉시 복제해 다른 연구자와 공유할 수 있어 이소체를 활용한 연구를 빠르게 확산시킬 수 있습니다.

연구팀 소개

당뇨병 치료 보고서는 POSTECH의 장조나 교수님이 이끌었습니다. 또한 김명지, 조승연, 황동규, 심인경, 김성철, 장지원, 장진아가 연구 및 논문 작성에 참여했습니다.

이 프로젝트는 과학기술정보통신부가 지원하는 과학기술연구사업, 과학기술정보통신부가 지원하는 재생의학 한국펀드, 보건복지부, 산업통상자원부가 지원하는 알케미스트 프로젝트 등 다양한 출처의 자금을 받았습니다.

응용 분야 및 일정

이 기술에는 여러 응용 분야가 있습니다. 첫째, 이번 연구와 향상된 3D 프린팅 방법은 당뇨병 연구와 약물 개발에 귀중한 도구가 될 것입니다. 엔지니어들은 살아있는 세포에 약물을 테스트해 부작용과 효능을 명확히 파악할 수 있습니다.

이러한 접근법은 항당뇨병 약물 개발을 가속화하고, 인슐린 생산이 전혀 없는 환자에게 췌장 이소체 이식의 길을 열어줄 것입니다. 또한 이 세포는 오염 및 환경 등 외부 요인이 췌장 이소체에 미치는 영향을 과학자들이 더 잘 이해하도록 도울 것입니다.

당뇨병이 초래할 수 있는 심각한 의료 상황을 고려할 때, 이 절차를 모든 시험 단계와 대중에게 가능한 한 빨리 제공하려는 지원이 크게 늘어나고 있습니다. 따라서 향후 5년 내에 이 기술이 도입되는 모습을 볼 수 있을 것입니다.

당뇨병 치료 혁신을 선도하는 기업

당뇨병 치료는 거대한 시장이며, 제약사들은 더 나은 옵션을 만들기 위해 지속적으로 투자하고 있습니다. 가정용 검사 키트부터 약물 및 치료제까지 다양한 기업이 이 분야에 참여하고 있습니다. 여기서는 눈에 띄는 한 기업을 소개합니다.

Halozyme Therapeutics, Inc

Halozyme Therapeutics (HALO )는 1998년에 시장에 진입해 새로운 약물 전달 방식을 도입하고자 했습니다. 이 회사는 캘리포니아주 샌디에고에 본사를 두고 있으며, 2004년에 상장한 이후 바이오테크 분야에서 주도적인 위치를 차지하게 되었습니다.

Halozyme Therapeutics는 최신 파괴적 약물 전달 방식을 포함한 다양한 제품을 제공합니다. 주요 제품으로는 최상급 자동 주입기 장치가 있습니다. 이 장치는 특허받은 재조합 인간 히알루로니다제 효소(rHuPH20)를 기반으로 하며, 사용하기 쉬운 장치에서 직접 주사 가능한 바이오 의약품을 전달할 수 있게 합니다.

헬스케어 분야에 진입하려는 이들은 Halozyme Therapeutics에 대해 더 많은 조사를 해야 합니다. 이 회사는 성공적인 실적을 보유하고 있으며, 지난 5년간 상당한 성장을 이루었습니다. 현재 HALO는 상승세를 보이고 있으며, 많은 분석가들이 회사가 새로운 제품을 지속적으로 개선·출시함에 따라 이 추세가 더욱 강화될 것으로 전망하고 있습니다.

Halozyme Therapeutics 최신 소식

당뇨병 치료의 밝은 미래

이 연구의 중요성을 살펴보면, 이 결과를 활용해 자신의 상태를 완화하려는 많은 사람들이 있다는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 당뇨병은 심각한 질병이며, 환경과 식습관이 악화될수록 이 질환을 앓는 사람들의 수는 증가할 것입니다. 따라서 이번 연구는 미래에 당뇨병을 예방하고 근절하는 방법을 더 잘 이해할 수 있는 드문 기회를 제공합니다.

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참고 연구:

^{1. Kim, M., Cho, S., Hwang, D.G. et al. Bioprinting of bespoke islet-specific niches to promote maturation of stem cell-derived islets. Nat Commun 16, 1430 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56665-5}