왜 심장 세포는 스스로 회복하지 못할까

대부분의 세포는 손상되더라도 스스로 회복한다. 피부는 상처가 아물고, 간은 일부가 절제되어도 재생된다. 그러나 심장은 다르다. 한 번 손상된 심장 근육 세포(이하 심근세포)는 거의 증식하지 못한다. 이에 따라 심근경색과 같은 질환 이후 심장 기능이 회복되지 않고, 심부전으로 이어질 수 있다.

그렇다면 손상된 심장 세포를 다시 증식시켜 기능을 회복할 수는 없을까. 성균관대학교 약학대학 TEL(Tissue Engineering Lab, 조직공학연구실)은 이러한 질문에서 출발해 심장 재생과 조직공학 연구를 이어가고 있다. 공학과 생명과학, 의학이 교차하는 융합 연구의 현장에서 TEL이 어떤 연구를 진행하고 있는지 이소아 교수와 연구원을 만나 이야기를 들어보았다.

*심근경색증: 심장혈관이 혈전 등의 원인으로 막혀 심장 근육이 괴사하는 질환

| 연구실 소개 부탁드립니다.

안녕하세요. 성균관대학교 약학대학에서 TEL을 이끌고 있는 이소아입니다.

TEL에서는 줄기세포와 바이오프린팅 기술을 활용해 시험관 내에서 실제와 유사한 생체 조직을 구현하는 연구를 진행하고 있습니다. 특히 심장 조직에 초점을 맞춰 인간의 심장 발달 과정을 이해하고, 이를 실험실 환경에서 재현할 수 있는 모델을 만드는 데 주력하고 있습니다.

이러한 모델을 바탕으로 심장 발달과 질병을 연구하고, 약물의 효능과 독성을 평가할 수 있는 실험 플랫폼도 개발하고 있습니다. 환자 유래 유도만능줄기세포(이하 iPSC)를 활용해 환자 맞춤형 치료제의 효과와 안전성을 분석하고, 임상시험과 비임상 연구를 연결할 수 있는 대체 모델을 제시하는 것이 목표입니다.

최근 재생의학 분야에서 세포 기반 치료제가 주목받고 있는 만큼, 조직공학 기술을 활용한 심장 재생 치료 전략 개발로 연구를 확장하고 있습니다. 또한 기존 동물실험을 보완하거나 대체할 수 있는 새로운 생체 모델 개발 연구도 함께 진행하고 있습니다.

*유도만능줄기세포(induced Pluripotent Stem Cell, iPSC): 이미 분화가 끝난 성체 세포를 인위적으로 초기 미분화 상태로 역분화시킨 것으로, 다양한 종류의 세포로 분화할 수 있어 질병 연구와 치료제 개발에 널리 활용되고 있다.

| 연구실에서 진행 중인 주요 연구 방향을 소개해 주세요.

TEL은 크게 네 가지 방향에서 연구를 진행하고 있습니다.

첫 번째는 차세대 심장 모델 개발입니다. 기존 심장 모델은 수축 기능을 정밀하게 분석할 수 있지만, 실제 심장이 수행하는 중요한 기능인 혈액 순환, 즉 펌프 기능을 재현하는 데에는 한계가 있습니다. 이를 보완하기 위해 바이오프린팅 기술을 활용해 유체가 실제로 순환할 수 있는 심장 모델을 개발하고 있습니다.

두 번째는 질환 모델을 활용한 치료제 평가 연구입니다. 대표적으로 듀센 근이영양증(이하 DMD)과 같은 유전성 질환을 대상으로, 환자 유래 iPSC를 이용해 골격근과 심장 조직을 만들고 있습니다. 여기에 디스트로핀 유전자의 스플라이싱을 조절하는 ASO 기반 핵산 치료제를 적용해, 디스트로핀 단백질 회복 여부와 그에 따른 조직 기능 변화를 평가합니다.

세 번째는 신약 개발을 위한 약물 평가 플랫폼과 재생 치료 기술 개발입니다. 신약 후보 물질을 효율적으로 평가하기 위해 심장 오가노이드를 기반으로 한 고처리량 약물 평가 시스템을 개발하고 있으며, AI와 계산 모델링 기법도 함께 활용하고 있습니다. 또한 신장 오가노이드를 이용해 약물의 신독성을 평가하는 연구도 진행하고 있습니다.

마지막으로 재생 치료 관점에서, 조직의 혈관화 기술에도 주목하고 있습니다. 일정 두께 이상의 조직에서는 산소와 영양 공급을 위한 혈관 구조가 필수적입니다. 일정 두께 이상의 조직에서는 산소와 영양 공급을 위한 혈관 구조가 필수적입니다. 이에 심장 오가노이드에 혈관 구조를 형성해 실제 조직에 가까운 재생 치료용 조직을 구현하는 연구를 수행하고 있습니다.

*듀센 근이영양증(Duchenne muscular dystrophy, DMD): 근육세포를 온전하게 유지하는 데 도움이 되는 디스트로핀(dystrophin) 단백질의 변화로 인한 유전적 질환. 진행성 근육 퇴화와 결함이 특징이다.

*ASO(AntiSense Oligonucleotide): 표적 mRNA와 상보적으로 결합하여 해당 유전자의 발현을 조절하는 단일 가닥 합성 핵산 기반 치료제

*고처리량 약물 평가 시스템(High-Throughput Screening, HTS): 자동화된 실험 시스템을 이용해 대량의 화합물을 빠르게 평가하여 특정 생물학적 표적에 대한 활성을 탐색하는 기술

*신독성: 독성 물질 또는 특정 약물 등에 의해 신장에 손상을 주는 특성

| 연구는 어떤 과정과 방법을 통해 진행되나요?

연구는 무엇보다 질문에서 출발합니다. 이러한 질문은 크게 두 가지에서 비롯됩니다. 하나는 순수한 지적 호기심입니다. “인간의 심장은 왜 이런 구조로 발달했을까?”, “이 기능을 실험실에서 재현할 수 있을까?”와 같은 근본적인 궁금증이 연구의 출발점이 됩니다. 다른 하나는 질병을 해결하려는 의학적 필요성입니다. 실제 환자를 치료하기 위한 새로운 방법을 찾는 과정에서 연구 질문이 만들어지기도 합니다.

예를 들어 차세대 심장 모델 연구는 “왜 실제로 혈액을 펌핑할 수 있는 심장 모델은 아직 없을까?”라는 질문에서 시작되었습니다. 이 질문을 바탕으로 유체가 흐를 수 있는 구조를 설계하고, 내부 공간과 유입·유출 구조를 갖춘 모델을 구현하기 위해 바이오프린팅 기술을 활용합니다. 이후 대학원생과 연구원, 교수진이 함께 실험을 반복하며 모델을 발전시켜 나갑니다.

질환 연구도 비슷한 방식으로 진행됩니다. DMD 연구는 삼성병원 소아신경과 이지훈 교수와의 협력을 통해 시작되었습니다. 환자 유래 세포로 질환 모델을 구축하고, ASO 기반 핵산 치료제를 적용했을 때 유전자 발현과 단백질 기능이 회복되는지를 평가합니다.

이러한 연구는 반복적인 실험과 협력을 통해 조금씩 발전합니다. 연구 결과는 논문이나 지식재산권으로 이어지기도 하며, 충분한 가능성이 확인될 경우 실제 치료로 이어질 수 있습니다. 연구 성과가 환자 치료로 연결될 수 있다는 점에서 큰 보람을 느낍니다.

| 연구실에서 이루어진 연구의 활용 사례와 향후 비전이 궁금합니다.

제가 포스닥으로 있던 스탠퍼드 심혈관 연구소에서 시작해 현재까지 이어오고 있는 연구를 중심으로 말씀드리겠습니다.

“왜 심장은 다른 조직과 달리 잘 재생되지 않을까?”라는 질문에서 출발해 심근세포의 증식 기전을 연구했습니다. 그 과정에서 세포 간 접촉이 심근 세포의 증식을 억제한다는 사실을 확인했고, 특히 IGFBP2라는 단백질이 심근세포의 증식을 다시 활성화하는 데 중요한 역할을 한다는 점을 밝혔습니다. 현재는, 이 결과를 바탕으로 IGFBP2를 재생 치료에 활용하기 위한 후속 연구를 진행하고 있습니다. IGFBP2를 유전자 치료제 형태로 전달해 심근경색 등으로 손상된 심장 조직의 재생을 유도할 수 있는지, 또는 IGFBP2 발현이 증가한 세포를 활용해 세포 치료 효과를 높일 수 있는지를 검증하고 있습니다.

이러한 연구는 조직공학 분야에도 활용되고 있습니다. 심근세포를 대량으로 증식시켜 수십억 개 규모의 세포를 확보하고, 이를 조직 제작에 적용하고 있습니다. 이와 함께 특정 환자 한 명을 위한 ‘N-of-1’ 치료 전략을 목표로, 환자 유래 세포를 기반으로 한 유전자 치료 가능성을 탐구하고 있습니다.

나아가 연구실에서 개발한 조직 모델과 iPSC 기반 질환 모델은 신약 개발 과정에서 약물의 안전성과 효능을 보다 정밀하게 평가하는 플랫폼으로 활용될 수 있습니다. 이를 통해 약물 반응을 더 정확하게 예측하고, 신약 개발의 효율을 높이는 데 기여할 것으로 기대하고 있습니다.

| 연구실만의 자랑거리가 있다면 무엇인가요?

연구적인 측면에서 가장 큰 강점은 융합 연구 역량입니다. 조직공학 중 특히 심장 조직공학은 공학과 생명과학, 의학이 결합하는 대표적인 분야입니다. 저는 재료공학을 기반으로 생명공학 연구실과 의과대학 심혈관 연구소를 거쳐 약학대학에 이르기까지 다양한 분야를 경험해 왔으며, 이를 바탕으로 서로 다른 학문을 연결하는 연구를 진행하고 있습니다.

이러한 배경 덕분에 단순히 공학적 기술로 조직 모델을 개발하는 데 그치지 않고, 그것이 실제 생물학적 현상을 어떻게 설명할 수 있는지, 나아가 ‘임상과 제약 산업에서 어떻게 활용될 수 있는가?’까지 함께 고민합니다. 학생들 역시 공학적 접근을 넘어 생물학적 이해와 의약학적 응용까지 폭넓게 경험할 수 있습니다.

연구 외적으로는 자율적인 연구 문화가 큰 장점입니다. 연구자가 스스로 연구를 설계하고 이끌어갈 수 있는 환경을 중요하게 생각하며, 비교적 자유로운 분위기 속에서 각자의 연구를 주도적으로 수행할 수 있도록 하고 있습니다.

또한 연구원 간의 협력적인 분위기도 중요한 특징입니다. 구성원들이 서로 소통하고 협력하며 즐겁게 연구할 수 있는 환경을 만드는 것 역시 TEL이 지향하는 방향입니다.

| 연구실에 들어가기 위해 필요한 자격이나 능력이 있나요? 어떤 학생이 연구실에 오면 좋을까요?

특정한 기술이나 스킬보다도 열정과 지적 호기심이 가장 중요하다고 생각합니다. 연구는 어떤 문제에 대해 “왜 그럴까?”라고 끊임없이 질문하고, 그 답을 찾고자 하는 동기에서 출발합니다. 기술적인 부분은 연구하면서 충분히 배울 수 있지만, 열정과 호기심은 누군가 대신 가르쳐 줄 수 있는 것이 아니기 때문입니다.

이 분야에 관심이 있는 학생이라면 자연스럽게 관련 학문에도 관심이 있을 것이라고 생각합니다. 예를 들어 세포생물학이나 발생생물학, 조직공학과 같은 수업을 찾아 듣거나, 생명과학과 공학을 함께 배우려는 융합적인 시도를 해본다면 연구실 생활에 도움이 될 것입니다.

개인적으로는 학부생 시기에 연구실 경험을 해보는 것도 매우 중요하다고 생각합니다. 실제 연구실에서의 실험 과정과 연구 환경을 직접 경험해 보는 것이 진로를 결정하는 데 큰 도움이 되기 때문입니다. 성균관대학교에는 학부생 인턴십 기회도 비교적 잘 마련되어 있으니, 이러한 기회를 통해 연구 현장을 가까이에서 경험해 보는 것도 좋은 방법이라고 생각합니다.

재료공학을 바탕으로 조직공학과 재생의학 연구를 이어오고 있는 이소아 교수는 공학, 생명과학, 의학이 만나는 융합 연구를 진행하고 있다. 심장 조직공학과 줄기세포 기반 질환 모델을 중심으로 생명 현상을 이해하고, 이를 의약학적 응용으로 확장하는 연구를 이어가고 있다.

▲ 이소아 교수

| 재료공학에서 출발해 인체 조직과 심장 재생 연구로 확장하게 된 계기나 연구 방향의 전환점이 있었는지 궁금합니다.

재료공학에 관심을 두게 된 계기는 자연에서 영감을 얻는 생체모방 기술(Biomimicry)에 대한 흥미였습니다. 자연은 오랜 진화 과정을 통해 효율적인 구조와 기능을 만들어 왔고, 이러한 점에서 엔지니어에게 훌륭한 설계의 원천이 될 수 있다고 보았습니다. 이 관심은 자연의 구조와 기능을 모사하는 생체재료와 생체모방 기술 연구로 이어졌습니다.

학부 3학년 때 수강한 생체재료 수업은 연구 방향을 결정짓는 중요한 전환점이었습니다. 세포의 미세 환경을 생체재료로 구현하면 체외에서도 세포가 실제 인체와 유사하게 성장하고 기능할 수 있다는 점이 인상적이었고, 이를 계기로 조직공학 분야를 본격적으로 탐구하게 되었습니다. 이후 스탠퍼드 대학(Stanford university)에서 생체재료와 조직공학 연구를 이어갔습니다.

이후 iPSC를 심근세포로 분화시켜 조직을 만드는 연구를 진행하던 중, 배양 접시 위에서 심근세포가 실제로 박동하는 모습을 관찰하게 되었습니다. 이 경험은 심장 연구에 더 집중하게 된 결정적인 계기가 되었습니다. 이후 심혈관 연구소에서 심장 발달과 조직공학을 함께 연구하며, 현재의 심장 조직공학 연구로 이어지게 되었습니다.

| 최근 교수님 연구팀은 심근세포의 증식을 억제하는 기전을 밝히고, IGFBP2를 통해 이를 극복할 가능성을 제시하는 연구를 발표하셨습니다. 심근세포의 ‘증식을 막는 요인’에 주목하게 된 계기와 이 연구 질문을 설정하게 된 배경이 궁금합니다.

▶ 이소아 교수 연구팀, ‘Circulation Research’ 논문 발표

심장 재생 연구는 이미 수십 년간 이어져 온 중요한 연구 주제입니다. 심장은 한 번 손상되면 스스로 재생되지 않기 때문에, 대표적인 성인 질환인 심근경색이 발생했을 때 근본적인 치료가 어렵다는 문제가 있습니다. 피부나 장처럼 재생이 가능한 조직은 줄기세포가 증식해 손상된 조직을 대체하지만, 심장에는 이러한 재생 메커니즘이 거의 작동하지 않는 것으로 알려져 있습니다.

이 때문에 ‘왜 심근세포는 증식하지 않을까?’라는 질문이 중요한 연구 출발점이 되었습니다. 연구 과정에서 심근세포를 배양하던 중, 세포를 새로운 배양 접시로 옮기는 계대배양(passaging) 이후 증식이 더 활발해지는 현상을 관찰했습니다. 이를 통해 세포가 일정 밀도에 도달하면 증식을 멈추도록 하는 신호가 존재할 가능성에 주목하게 되었고, 그 기전을 규명하는 연구를 진행하게 되었습니다.

그 결과, 해당 과정에서 Wnt 신호 조절이 중요한 역할을 하며, 특히 IGFBP2가 심근세포의 증식을 다시 활성화하는 데 관여한다는 사실을 확인했습니다. 현재는 이러한 발견을 바탕으로, 심장 재생 치료로 이어질 수 있는 가능성을 탐구하는 후속 연구를 이어가고 있습니다.

| 이번 연구에서 밝혀진 심근세포 증식 억제 기전과 IGFBP2의 역할은 심장 재생 연구를 이해하는 데 어떤 의미를 가지며, 향후 어떤 가능성을 제시하나요?

심근세포의 증식을 억제하는 신호 기전을 밝히고, IGFBP2가 그 과정에 관여한다는 점을 확인했다는 데 의미가 있습니다. 이러한 이해를 바탕으로 두 가지 방향의 응용 가능성을 기대하고 있습니다.

첫째는 IGFBP2를 활용한 유전자 치료 전략입니다. 해당 기전을 조절해 심근세포의 증식을 유도하고, 손상된 심장 조직의 재생을 촉진하는 치료법으로 발전할 가능성이 있습니다.

둘째는 줄기세포 기반 심장 재생 치료와의 연계입니다. 현재 일본, 미국, 독일 등에서는 iPSC로부터 분화시킨 심근세포를 환자에게 이식하는 임상시험이 진행되고 있습니다. 이러한 치료에는 수십억 개에 이르는 대량의 심근세포가 필요하므로, 세포 증식을 효율적으로 유도할 수 있는 기술이 핵심인데요. 이번 연구는 이러한 대량 생산을 가능하게 하는 새로운 접근법을 제시했다는 점에서 의미가 있습니다.

| 조직공학 기반 심장 재생 연구는 기초 생물학적 발견과 실제 치료 기술 사이의 연결이 중요한 분야라고 생각됩니다. 이러한 연구를 앞으로 어떤 방향으로 확장해 나가고 싶으신지 궁금합니다.

공학적 기술을 기반으로 하면서도 생물학적 이해를 함께 갖춘 연구를 이어가는 것이 중요하다고 생각합니다. 재료공학을 바탕으로 생명공학과 의약학 연구를 함께 경험해 온 배경을 토대로, 공학적 기술과 생물학적 이해를 결합한 연구를 수행하고 있습니다. 이러한 강점을 바탕으로 조직공학 모델을 활용해 실제 질병을 모사하고, 새로운 약물 표적을 발굴하거나 후보 물질을 평가하는 연구로 확장하고자 합니다.

특히 개발한 심장 조직 모델을 활용해 약물 스크리닝 플랫폼을 구축하고, 질병 치료에 적용될 수 있는 선도 물질을 발굴하는 연구를 진행하고자 합니다. 동시에 이러한 연구 성과를 기반으로 새로운 심장 재생 치료 전략을 제시하는 것도 중요한 목표입니다.

궁극적으로는 공학적 기술 개발에 머무르지 않고, 실제 의료 현장에서 활용될 수 있는 치료 기술로 이어지는 연구를 지향하고 있습니다. 연구실 단계의 발견이 환자 치료로 이어지는 ‘벤치(실험실)에서 베드사이드(침대)로’의 전환을 실질적으로 구현하는 것이 목표입니다.

*선도 물질(lead compound): 신약 개발 과정에서 치료 효과를 보일 가능성이 있는 후보 화합물로, 이후 구조를 최적화해 실제 약물로 발전시키는 출발점이 된다.

| 마지막으로, 생명과학이나 바이오 분야에서 연구자를 꿈꾸는 학생들에게 해주고 싶은 조언이 있다면 부탁드립니다.

대학생이라면 누군가 정보를 제공해 주기를 기다리기보다, 스스로 필요한 것을 찾아 나서는 적극적인 자세가 중요합니다. 연구자가 되고 싶다는 생각이 들어도, 실제로 연구가 어떤 일인지 막연하게 느껴질 수 있습니다. 그럴 때는 연구를 하는 사람들에게 직접 이야기를 들어보거나, 관심 있는 연구실을 찾아가 연구 환경을 경험해 보는 것이 도움이 될 수 있습니다.

예를 들어 관심 있는 분야를 탐색하고 교수님께 연락해 연구실 경험의 기회를 요청하는 등, 작은 행동부터 시작해 볼 수 있습니다. 이러한 과정을 통해 자신이 무엇을 좋아하는지, 어떤 방향으로 나아가고 싶은지 점차 선명히 알 수 있을 것입니다.

대학은 정리된 정보를 일방적으로 제공받는 공간이라기보다, 스스로 질문하고 탐색하는 과정이 중요한 곳입니다. 적극적으로 질문하고 경험을 쌓아 나가는 과정에서 각자의 방향을 찾게 됩니다. 무엇보다도 그런 동기와 태도는 스스로 만들어 가야 하며, 그 이후의 과정에서는 교수나 선배 연구자들이 충분히 도움을 줄 수 있습니다.

다음으로 본 연구실 김보영 원우를 만나 연구원의 관점에서 TEL 생활을 물었다.

▲ 김보영 원우

| 연구원의 관점에서 연구실 자랑 부탁드립니다.

TEL의 가장 큰 강점은 자율성을 기반으로 한 융합적 연구 환경입니다. 단순히 교수님의 지시에 따라 실험을 수행하는 것이 아니라, 연구원 스스로 가설을 세우고 실험을 설계하며 연구자로 성장할 기회가 풍부합니다. 특히 연구 기획 단계부터 연구원이 적극적으로 참여하는 분위기 속에서 연구 주제를 발전시키고, 연구 제안서를 직접 작성해 보는 경험도 자연스럽게 쌓을 수 있습니다.

또한 연구원의 성과와 노력에 따른 인센티브 제도가 마련되어 있어 연구 결과에 대한 책임감과 동기 부여가 자연스럽게 형성됩니다. 이러한 환경은 연구자로서 독립적인 사고와 연구 설계 능력을 키우는 데 큰 기반이 됩니다.

이처럼 개인의 성장과 연구실의 발전이 함께 이어지는 선순환 구조가 우리 연구실의 가장 큰 매력이라고 생각합니다.

| 연구원으로서 생활하면서 가장 좋았던 기억을 소개해 주세요.

가장 기억에 남는 순간은 제가 주도적으로 수행한 연구 성과로 학술대회에서 수상했던 경험입니다. 처음에는 포스터 제출과 발표 자체에 의미를 두며 시작했습니다. 하지만 연구를 이어가며 포스터 우수 발표상을 받았고, 이후에는 우수 구두 발표상까지 이어지게 되었습니다.

연구 과정에서 자신을 의심하거나 노력의 의미가 잘 보이지 않을 때도 있었습니다. 그러나 한 단계씩 성취를 쌓아가며, 그동안 쏟아온 시간과 연구의 가치가 학계에서 객관적으로 인정받고 있다는 확신을 얻을 수 있었습니다.

| 연구자로서 성취하고 싶은 목표가 있으신가요?

연구자로서의 최종 목표를 한 문장으로 정의하기는 아직 조심스럽습니다. 하지만 제가 지향하는 것은 연구실에서 만들어진 데이터를 실제 사회에서 의미 있는 ‘가치’로 연결할 수 있는 연구자가 되는 것입니다. 단순한 이론 탐구에 그치지 않고, 제가 연구하고 있는 3D 바이오프린팅과 오가노이드 기술을 바탕으로 실제 산업과 신약 개발 과정에 활용될 수 있는 연구 성과를 만들고 싶습니다.

| 연구자의 길을 고민하거나 꿈꾸는 학부생, 후배들에게 하고 싶은 조언은 무엇인가요?

연구자의 길을 고민하고 있다면 가능한 한 빨리 실제 연구를 경험해 보는 것을 권하고 싶습니다. 연구실 인턴십이나 학부생 연구 프로그램을 통해 직접 연구를 해보면 이론으로 배우는 과학과 실제 데이터를 만들어내는 과정이 얼마나 다른지 체감할 수 있습니다. 이러한 경험을 통해 자신이 어떤 연구 주제에 흥미를 느끼는지, 그리고 반복적인 실험 과정까지 감당할 만큼 이 분야를 좋아하는지 자연스럽게 알게 됩니다.

성급하게 결정을 내리기보다는 다양한 연구 경험을 통해 자신의 성향과 관심사를 충분히 탐색해 보시길 바랍니다. 그런 과정을 거쳐 내린 선택이 결국 흔들리지 않는 연구자의 길을 만들어 줄 것이라고 생각합니다.

* 연구실 관련 정보

이소아 교수

성균관대학교 약학대학

Tel: 031-290-7732

Email: soahlee@skku.edu

Office: DRC관 2층 840214호실

Lab Website: https://sites.google.com/view/soahleelab