고려대학교 안암병원 치과 전상호 교수가 치조골 형성에 핵심 역할을 할 물질에 대한 동물 실험을 마쳤다. 전교수에 따르면, 해양수산부 지원을 받아 바이오벤처와 포스텍 공동연구로 개발한 홍합접합단백질로 임플란트 골충진재를 접착하는 데 탁월한 효과가 나타났다는 것이다.

이 소식을 접한 후 2가지 의문점이 곧바로 제기되었다.

첫 번째, 단백질접착제.
일단 염증반응을 우려하게 된다. 전교수는, 특수공정을 통해 필요한 펩타이드만 정제하여 이러한 문제점이 해결되었다고 한다.

두 번째, 골형성.
이종골에 접합제를 적용했을 때 과연 골전도(osteoconduction) 이상의 기능을 발휘할 수 있을까?
취재진의 의문사항에 대해 전교수는 그 이상의 반응이 일어났으며 그것도 아주 빠른 속도로 결과가 얻어졌다고 답하였다.

비록 설치류 두개골에 관한 연구였지만 micro-CT를 통해 동일 개체 내에서 일어나는 골재생 과정 데이타를 얻을 수 있었고 연구진의 기대 이상으로 반응이 빨라 개를 대상으로 하는 치조골 연구를 준비 중이라고 전하였다.

만약 이 특수단백질이 임플란트 시 녹아내린 치조골에 적용되어 단단한 잇몸뼈를 만들어 낸다면 나이가 들면서 포기하게 되는 치아 문제는 머지않아 해결될 거라고 내다 봐도 될 듯 하다. 

물질개발 연구를 주도한 포스텍의 차형준 교수는 염도가 높고 거친 파도로 시달리는 환경에서 홍합이 족사를 내려 개체를 단단히 고정하는 메커니즘에 착안하였다.
전교수는 이러한 아이디어를 자신의 연구분야인 ‘치조골’에 접목시켜,  수축-팽창 및 온도변화가 심하며 수분이 많은데다 각종 음식물로 세균이나 바이러스 공략도 만만치 않은 치주를 복원하고자 하였다.

과연 악압을 견뎌내고 인공치아를 지탱할 만큼 단단하고 생체친화적인 치주를 만들 수 있을까 하는 의심가운데 일련의 질문을 던졌을 때  전교수는 ‘예’라고 힘주어 말했다. 비록 시간이 소요되더라도 몇 년 안으로 가능한 부분이라고 단언했다.

"치아를 잡아주는 치조골의 경우 염증에 의해서 쉽게 무너지는 구조인데,  치아는 염증이 생기면 충치가 되지만 치조골은 쉽게 녹아내리는 취약한 특징을 가집니다. 순차적으로 시그마 서클을 돌지 않아 재생이 거의 안된다고 보면 됩니다.

임플란트를 심을 때는 뼈가 많이 녹아있는 상태에서 이루어지는 경우가 대부분인데, 환자 본인 뼈를 이식하는 게 가장 좋지만 자기 몸에서 뼈를 떼어내는 수술을 해야 하므로 꺼려질 수 있습니다.
다른 사람의 뼈 이식도 한계가 있죠. 기증자가 있어야 하는데 수요-공급의 차이가 있으니까요.
합성골이나 소, 말, 돼지 등의 이종골을 이식재로 만들어서 사용하는 경우가 많은데 골유도성(osteoinduction)은 없고 골전도성(osteoconduction)만 있는 게 특징입니다. 게다가 뼈를 만드는 세포들이 이식뼈라는 철골을 따라서 집을 제대로 지어야 하는데 뼈가 움직이면서 조골 작용이 제대로 일어나지 못 합니다."

이식뼈의 성공적 안착과 골형성은 재생의학과 밀접한 관련이 있다.

첫째, 전교수가 언급한 대로, 이식뼈가 움직이지 않게 하는 접착제가 필요하다. 화학합성물이 아니면서 생체에 염증 반응이나 거부 반응이 방지될 수 있는 특수 물질이어야 한다.

둘째, 이식뼈가 변화되어 생체내의 뼈와 같이 골재생이 일어나는 일련의 과정이 필요하다. 즉, 오스티오컨덕션에서 오스티오인덕션, 그리고 오스티오제네시스라는 정상적인 뼈대사인데,  이것은 모든 연구자들이 목표로 하는 단계이다.

전교수에 의하면 홍합접착단백질이 접착제 역할 뿐 아니라 주변의 성장인자를 끌어들여 뼈가 형성되는데 기여하는 사실이 확인되었다고 한다. 
또한 접착단백질과 철 이온과의 상호작용을 통한 가교 반응은 반복적으로 접착과 탈착을 해도 접착력을 유지할 수 있는 자가복원 기능을 가지고 있다.

뿐만 아니라, 비록 홍합에서 추출할 수 있는 단백질이 미량이지만 유전공학을 이용, 대량생산이 가능한데 인체에는 무해하면서도 기존의 접착 소재보다 3배 이상의 높은 수중 접착력을 가진다.

이러한 성질을 바탕으로 이종골을 심었을 때 기존의 이식보다 골생성이 잘 이루어져 차세대 생체접합제로 손색이 없다는 게 전교수의 설명이다.

“레진과 같은 물질이 플라스틱과 기본 구조가 동일한데, 독성을 빼고 구강 내에서 잘 버텨내는 성질로 재구성되면서 고부가가치의 상품으로 태어나는 것입니다. 홍합단백질도 물론 특수 공정을 거쳐 개량될 것이며 지속적인 동물 실험을 통해 결과를 재확인하여 인체 임상에 대비할 것입니다.”

줄기세포와 이번 연구를 접목시킨다면 어떤 결과를 예상할 수 있을까요?

"줄기세포를 적용하게 되면 한 단계 더 업그레이드 됩니다.
조직공학에서는 3가지 큰 축이 있죠. 성장인자, 줄기세포, 스캐폴드 3가지입니다. 성장인자는 세포들을 자극해서 제 기능을 수행하게끔 합니다. 세포들은 구조물에 붙어서 제대로 된 인체조직을 완성하게 되죠. 60년대와 70년대에 성장인자에 대한 연구가 활발했고, 90년대 후반에는 줄기세포 연구가 붐을 이루었습니다. 줄기세포를 적용하면 골재생의 경우 효과가 탁월합니다. 그런데 재생의 측면에서는 더 유리하지만 처리해서 상품화하는 데에 많은 시간이 소요가 될 겁니다.
요즘에는 3D프린팅 기술이 발달해서 스캐폴드를 만드는 게 용이해졌습니다. 그러니까 줄기세포를 스캐폴드에 붙이는 접착제만 개발되면 되는데 홍합접착단백질이 훌륭하게 효과를 내고 있습니다.

이러한 최신 조직공학을 적용해 볼 만한 질환으로는 악안면 결손이 있습니다. 자기뼈를 이식해야 하는데 인공뼈를 3D프린터기로 얻을 수 있게 되었고, 거기에 줄기세포를 접착한다면 획기적인 치료법이 되겠죠.
악안면 결손과 같은 구순열 및 구개열 환자들에는 줄기세포 치료를 했을 때 결과가 굉장히 잘 나옵니다. 그러니 더더욱 결과가 기대됩니다." 

이번 연구를 같이 진행하는 분들이 있습니까?

"포항공대 차형준 교수 연구팀입니다. 저는, 몇 년 전 연수를 다녀 온 하버드치과대학에  골재생을 연구하는 교수님과 공동연구를 하면서 노하우를 많이 배울 수 있었습니다. 지금도 교류하고 있구요."

설치류에서 두개골을 가지고 골재생을 입증하셨는데요, 추가 설명을 해 주세요.

"최근 data에 의하면 단백질접착제를 설치류에 적용했을 때 엄청나게 빠른 속도로 두개골이 회복되는 거를 확인했는데 고려대학교가 보유하고 있는 micro-CT를 통해  동물을 희생하지 않고 살아있는 상태에서 촬영하였고, 동일개체에서 일어나는 일련의 변화를 지속적으로 관찰할 수 있었습니다. 과거에는 한 동물에 대한 연구 결과를 연속적 data로 얻을 수 없었죠.

micro-CT는 매우 미세한 부위를 볼 수 있는 방사선 촬영법인데 물론 방사선 조사량이 많기는 하지만 작은 동물에만 이용합니다. 
우리나라에서는 인비보(in vivo) 상태 동물을 micro-CT촬영할 수 있는 대학이나 연구소가 많지 않습니다. 실험동물의 희생 없이 촬영이 이루어지므로 동물실험윤리위원회의 주장도 수용되고 동물실험 개체수를 줄일 수 있기에 매우 바람직하다고 봅니다." 

앞으로 100세시대 준비하는 차원에서 이런 실험이 크게 의미가 있다고 본다.
임플란트 부작용을 줄이므로 삶의 질을 향상시키고 비용도 절감할 수 있는 연구다.
최근에는 골다공증 환자들이 많이 생기면서 턱뼈 괴사가 보고되고 있다. 여기에 본 연구가 적용될 수 있을까?

"골다공증 환자들에게 많이 처방되는 약 중에 비스포스포네이트라는 약물이 있습니다. 효과가 좋아서 보험코드도 나와 있는 약물인데, 파골세포 작용을 억제하여 미네랄이 뼈에서 빠져 나가는 것을 막는 작용을 합니다. 골다공증에 적격인 약물이죠. 심지어는 예방차원에서 비스포스포네이트를 복용하는 것도 좋다는 권고도 있었습니다.

그러다가 2006년부터 부작용 사례에 대한 보고가 나왔습니다. BRONJ라는 질환인데요, Bisphosphonate-related Osteonecrosis of the Jaw라고 해서 2007년부터 연구가 활발히 이루어 졌습니다. 메커니즘이 정확히 밝혀 진 것 아닙니다만, 뼈대사에 영향을 미치는 약물을 복용했을 때에 임플란트와 같은 치과치료를 받으면 뼈가 괴사되어 녹아 내리게 되는 겁니다. 문제는 이렇게 녹아내리는 뼈가 회복되기는 매우 힘들기 때문에 무서운 질환인 겁니다. 그렇다고 발생률이 10%가 넘어갈 정도로 안전성이 낮은 약물은 아니고 사실은 1000명중에 1명도 안되는 확률이지만 실제 발생인원을 따져 본다면 주의가 요구됩니다.
그래서 치과치료를 하기전에 비스포스포네이트를 복용하는 환자는 추가 검사를 실시하는 등 주의를 하고 있습니다.
앞서 말씀드린 악안면 기형 뿐 아니라 난치성 골괴사 질환에도 본 연구를 줄기세포와 함께 적용한다면 승산이 있을 거라 봅니다. 그러니까 3D프린팅제조 인공뼈, 줄기세포, 홍합접착단백질 이 세 가지를 모두 활용한다면 말이죠."