출처: http://spectrum.ieee.org/video/biomedical/devices/repairing-organs-with-the-touch-of-a-nanochip

Researchers at Ohio State University developed a way to change cells inside the body from one type to another—with just one touch from a nanochip. This new technology, called “tissue nanotransfection,” could be used to repair and regenerate body tissues, including organs, in a way that is non-invasive and painless.

오하이오주립대학 연구진이 인체 내 세포를 한 종류에서 다른 종류로 변환시키는 기술을 개발했다. 단순히 나노칩을 부착하는 것만으로 말이다. '조직 나노형질주입'이라고 불리는 이 신기술은 미래에 인체 조직과 장기를 비침습적이고 고통이 없는 방식으로 치유 및 재생시키는데 사용될 것으로 예상된다.

“When these things come out for the first time, it’s basically crossing the chasm from impossible to possible,” says Chandan Sen, co-leader of the study. “We have established feasibility.”

Previously, experiments with this sort of cell type conversion were done outside the body, in petri dishes. Even if cells from the test subject were removed from the body, converted in the lab, and then reinserted into the body, those new cells often incited an immune response and were rejected. Sen’s method is unique because the conversion takes place entirely inside the body, preventing an immune response. But working in the body can be complicated.

"이러한 신기술이 등장하려면 불가능과 가능 사이의 장벽을 넘어야 합니다"라고 이번 연구를 공동으로 이끈 찬단 센이 말했다.

지금까지 세포 변환과 관련된 이러한 연구들은 인체 바깥에서, 즉 실험실에서만 이루어졌다. 또 실험대상자로부터 추출한 세포를 실험실에서 다른 세포로 변환해도, 이 변환된 세포를 실험대상자 신체에 주입하면 면역 거부반응을 일으켰다. 찬단 센이 이번에 개발한 기술이 특별한 이유는, 세포의 변환이 신체 내에서 이루어져서 따라서 면역 거부반응을 방지할 수 있기 때문이다. 하지만 신체 내에서 이러한 변환을 일으키는 것은 매우 어려운 작업이다.

“The moment you go in vivo the complexity is significantly elevated, and now you have to deal with a lot of parameters that are beyond your control,” says Sen.

To keep it simple, Sen’s trials focused on skin cells in mice and pigs. The first step is to place the nanochip on the affected area. When the chip touches the skin, it sends a snippet of synthetic DNA into the surface cells using an electric current, which lasts less than one tenth of a second. The genetic code of the synthetic DNA differs depending on the desired outcome. For example, if the researchers want to convert the skin cells to nerve cells, they use a different code than they would use to convert the skin cells to bone cells.

"생체 내에서 실험을 하면 난이도가 크게 올라가고, 통제할 수 없는 다수의 변수와 맞닥뜨리게 됩니다"라고 찬단 센이 말했다.

실험을 단순화하기 위하여 찬단 센은 쥐와 돼지의 피부세포에 초점을 맞췄다. 먼저 환부에 나노칩을 부착한다. 피부와 접촉한 나노칩은 전류를 흘려보내 표피세포에 합성 DNA를 주입하는데, 이 과정은 10분의 1초보다 짧다. 합성 DNA의 유전자 코드는 원하는 결과물에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 피부세포를 신경세포로 변환시킬 때 사용하는 합성 DNA는 피부세포를 골격세포로 변환시킬 때 사용하는 합성 DNA와는 다른 유전자 코드를 가지고 있다.

One of Sen’s experiments successfully healed a mouse’s injured leg. Because scans showed a lack of blood flow in the mouse’s leg, researchers inserted DNA that would change skin cells to the endothelial cells that form blood vessels. Within a week of treatment, the mouse had blood flowing through its leg again. Not only did the the process work to reprogram local cells at the site of the injury, but the entire leg was affected. This is because the mouse’s body also did some work to repair itself.

찬단 센은 실험과정에서 쥐의 부상당한 다리를 성공적으로 치료할 수 있었다. 실험쥐를 촬영한 결과 쥐의 다리에 피가 흐르지 않는다는 것이 발견되었고, 이에 연구진은 피부세포를 내피세포(내피세포는 혈관을 형성한다)로 변환시키는 DNA를 주입했다. 일주일이 지나자 쥐의 다리에는 다시 피가 흐르기 시작했다. 해당 기술은 단순히 환부에 위치한 국부세포를 재프로그래밍하는데 성공했을 뿐 아니라 쥐의 다리 전체에 영향을 끼쳤다. 그 이유는 쥐의 신체도 스스로를 치료하는데 한 몫을 담당했기 때문이다.

“There are steps that the body itself mounts for its own rescue,” says Sen. “So what is happening here is we’re enabling the body’s rescue system by tipping it off in a positive way.”

In the experiment with the mouse’s leg, the mouse’s immune system took cues from the injected DNA and generated its own new cells to help it heal faster. It’s hard to know, however, if the body will always respond favorably. And that’s why more research has to be done.  

Robert Diegelmann, an expert in tissue injury and tissue repair, sees Sen’s work as the key to unlocking a lot more information about how we can reprogram cells inside the body.

"어떤 단계에 이르면 신체가 스스로를 고치기 시작합니다"라고 찬단 센은 말했다. "따라서 저희는 신체의 치유시스템에 긍정적인 자극을 주어 활성화를 시킨 셈이지요"

쥐의 다리를 가지고 한 상기 실험에서 쥐의 면역체계는 칩이 주입해준 DNA에서 힌트를 얻어 새로운 세포를 생성, 치유 속도를 가속화시켰다. 하지만 신체가 이러한 자극에 항상 긍정적으로 반응할지는 확실하지 않으며, 따라서 후속 연구가 필요한 실정이다.

조직손상 및 조직재생 분야의 전문가인 로버트 디겔만은 찬단 센의 이번 발견이 인체 내 세포를 어떻게 재프로그래밍할 수 있을지에 대해 더 많은 정보를 제공해줄 수 있을 것이라고 생각한다.

“A lot more research has to be done to specifically target cells other than fibroblast [skin] cells, and to reprogram certain genes, but what he’s got here is really exciting,” says Diegelmann.

Sen and his team want to continue experimenting with the technology and they plan to run clinical trials on humans next year. Working on animals is less risky, but it it’s also less realistic, because it doesn’t take into account the human body’s own response.

“Of course, there will be problems but over time we will fix those problems,” says Sen.

"섬유아세포(피부세포) 이외에 다른 세포를 변환시키거나 특정 유전자를 재프로그래밍하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하겠지만, 찬단 센의 이번 발견은 매우 놀랍습니다"라고 로버트 디겔만은 말했다.

찬단 센과 그 연구진은 앞으로 해당 기술을 더욱 발전시킬 예정이며, 내년에 인간을 대상으로 임상실험을 진행할 계획이다. 동물을 대상으로 하는 실험을 위험도가 낮지만 그 실효성은 떨어지는데, 왜냐하면 인체 고유의 반응을 고려하지 않기 때문이다.

"물론 문제는 있겠지만 시간이 지나면 이를 해결할 수 있을 것입니다"라고 찬단 센은 말했다.