배경 및 목적: 근육재건수술이나 인조근육조직개발을 위한 실험은 수십년간 계속되어 왔으며, 현재까지의 연구결과로는 조직배양접시에서 기능성 근육조직의 재생이 가능하지만 아직까지 그 크기나 수축력은 정상근육조직에 비해 임상적으로 사용할 수 있는 수준은 아니다 ...

배경 및 목적: 근육재건수술이나 인조근육조직개발을 위한 실험은 수십년간 계속되어 왔으며, 현재까지의 연구결과로는 조직배양접시에서 기능성 근육조직의 재생이 가능하지만 아직까지 그 크기나 수축력은 정상근육조직에 비해 임상적으로 사용할 수 있는 수준은 아니다. 임상적으로 이용 가능한 크기와 수축력의 기능성 근육조직을 만들기 위해서는 근육세포간의 유기관계와 조직형성을 가속화 시킬 수 있는 적절한 생체반응기를 개발하여 이용하는 것도 유용한 수단이 될 수 있다. 본 연구에서는 3차원적 생체 반응기를 제작하여 임상적으로 이용 가능한 크기와 수축력의 기능성 인공 골격근 조직을 개발하고자 하였다.
방법: 생체 반응기는 특수제작한 대형의 조직 배양기와 배양기내에 구조물의 장착기, 컴퓨터로 제어하여 구조물을 주기적으로 신장및 이완시킬 수 있도록 고안하여 제작하였다. 1차실험인 생체외 실험에서는 인체 골격근 세포를 일차배양하여 돼지방광하 점막을 가공한 scaffolds에 살포하여 배양후 생체반응기에 유치한 후 기저길이의 10%를 3주간 주기적(분당 3회, 매시간당 최초 5분)으로 신장 및 이완자극을 가하였다. 인조근육조직에 대한 평가는 형태학적, 기능적 평가를 하였다. 제 2차실험인 생체 실험에서는 동일한 방법으로 제작한 인조근육구조물을 1주일간 생체반응기로 자극배양한 후, 누드마우스의 등근육에 이식한 후 3, 5, 7, 14, 21일째 구조물을 채취하여 형태학적, 기능학적 평가를 실시하였다.
결과: 조직배양접시에서 단순배양한 대조군의 근육구조물에 비해 생체반응기를 이용하여 제작한 구조물은 근육세포들이 유기적인 단방향성의 배열을 보였으며 생체외 실험군에서는 Kcl, 생체실험군에서는 전기자극에 유의한 수축력을 보였다. 인조근육구조물은 시간경과에 따라 완전한 다핵성의 근섬유를 형성하고 성숙되었으며, 골격근의 기능성 표식자에 대해 양성반응을 보였다.
결론: 본 연구에서 제작한 근육구조물은 최근 타기관에서 보고된 가장 우수한 근육조직에 비해 10배이상의 굵기와 정상근육의 수축력의 1/3에 해당하는 수축력을 보여 현재까지 제작된 인공근육조직에 비해 임상응용이 가능한 결과이다. 본 연구결과, 특수제작한 생체반응기는 임상응용이 가능한 크기의 기능성 골격근을 개발하는데 유용한 것으로 생각된다.

Purpose: Engineering clinically applicable functional muscle tissues in vitro is still one of the major challenges facing successful skeletal muscle reconstructive procedures in vivo. As a first step in this direction, we have developed a methodology ...

Purpose: Engineering clinically applicable functional muscle tissues in vitro is still one of the major challenges facing successful skeletal muscle reconstructive procedures in vivo. As a first step in this direction, we have developed a methodology and computerized three dimensional bioreactor system to permit enhanced cellular organization and accelerated tissue maturation/formation in vitro. In this study we characterize the functional muscle tissue that is engineered using this approach both in vitro and in vivo.

Methods: The computerized bioreactor system consisted of a linear actuator mounted on a tissue container to provide a controlled cyclic strain to muscle tissue scaffolds. Primary human muscle cells were seeded onto scaffolds and placed in the bioreactor system and subjected to cyclic strain equivalent to ±10% stretch of the original scaffold length strain was applied 3 times/min for the first 5 min/hour for periods ranging from 5 days to 3 weeks. Following this conditioning protocol, the cell constructs were assessed for structural and functional parameters in vitro cell and scaffold constructs under static culture conditions (i.e., no cyclic strain) were run in parallel. In a separate in vivo experiments, both the structures conditioned in the bioreactors for 5 days and control tissue structuresmaintained under static culture conditions were implanted onto the latissimus dorsi muscle of nude mice. At 3, 5, and 7 days after implantation, structures were retrieved and assessed for structural and functional parameters.
Results: Compared to control structures under static culture conditions, structures derived from bioreactor conditioning protocol (i.e., engineered tissue) produced viable muscle tissue with appropriate cellular organization. The engineered muscle showed unidirectional orientation within 5 days of bioreactor conditioning, and continued to mature with time. The presence of organized myofibrils was evident with the expression of muscle markers in the bioreactor stimulated structures. Finally, the engineered muscle showed a reproducible contractile response to EFS (p<0.05). Scaffolds maintained under static culture condtions showed disorganized tissue formation and multidirectional orientation of muscle cells both in vitro and in vivo.
Conclusion: As far as we are aware, this study demonstrates for the first time that organized functional muscle can be engineered using a computerized bioreactor system on a biodegrable scaffold (matrix). That is, following isolation and expansion, muscle cell seeded scaffolds that are exposed to a cyclic stimulation protocol areable to achieve enhanced cellular organization and accelerated tissue formation/maturation both in vitro and in vivo, with significant contractile function in all cases.
The use of this bioreactor system may accelerate muscle formation for reconstructive or replacement surgery in patients with localized functional skeletal muscle deficits.

배경 및 목적: 근육재건수술이나 인조근육조직개발을 위한 실험은 수십년간 계속되어 왔으며, 현재까지의 연구결과로는 조직배양접시에서 기능성 근육조직의 재생이 가능하지만 아직까지 그 크기나 수축력은 정상근육조직에 비해 임상적으로 사용할 수 있는 수준은 아니다 ...

배경 및 목적: 근육재건수술이나 인조근육조직개발을 위한 실험은 수십년간 계속되어 왔으며, 현재까지의 연구결과로는 조직배양접시에서 기능성 근육조직의 재생이 가능하지만 아직까지 그 크기나 수축력은 정상근육조직에 비해 임상적으로 사용할 수 있는 수준은 아니다. 임상적으로 이용 가능한 크기와 수축력의 기능성 근육조직을 만들기 위해서는 근육세포간의 유기관계와 조직형성을 가속화 시킬 수 있는 적절한 생체반응기를 개발하여 이용하는 것도 유용한 수단이 될 수 있다. 본 연구에서는 3차원적 생체 반응기를 제작하여 임상적으로 이용 가능한 크기와 수축력의 기능성 인공 골격근 조직을 개발하고자 하였다.
방법: 생체 반응기는 특수제작한 대형의 조직 배양기와 배양기내에 구조물의 장착기, 컴퓨터로 제어하여 구조물을 주기적으로 신장및 이완시킬 수 있도록 고안하여 제작하였다. 1차실험인 생체외 실험에서는 인체 골격근 세포를 일차배양하여 돼지방광하 점막을 가공한 틀에 살포하여 배양후 생체반응기에 유치한 후 기저길이의 10%를 3주간 주기적(분당 3회, 매시간당 최초 5분)으로 신장 및 이완자극을 가하였다. 인조근육조직에 대한 평가는 형태학적, 기능적 평가를 하였다. 제 2차실험인 생체 실험에서는 동일한 방법으로 제작한 인조근육구조물을 1주일간 생체반응기로 자극배양한 후, 누드마우스의 등근육에 이식한 후 3, 5, 7, 14, 21일째 구조물을 채취하여 형태학적, 기능학적 평가를 실시하였다.
결과: 조직배양접시에서 단순배양한 대조군의 근육구조물에 비해 생체반응기를 이용하여 제작한 구조물은 근육세포들이 유기적인 단방향성의 배열을 보였으며 생체외 실험군에서는 KCl, 생체실험군에서는 전기자극에 유의한 수축력을 보였다. 인조근육구조물은 시간경과에 따라 완전한 다핵성의 근섬유를 형성하고 성숙되었으며, 골격근의 기능성 표식자에 대해 양성반응을 보였다.
결론: 본 연구에서 제작한 근육구조물은 최근 타기관에서 보고된 가장 우수한 근육조직에 비해 10배이상의 굵기와 정상근육의 수축력의 1/3에 해당하는 수축력을 보여 현재까지 제작된 인공근육조직에 비해 임상응용이 가능한 결과이다. 본 연구결과, 특수제작한 생체반응기는 임상응용이 가능한 크기의 기능성 골격근을 개발하는데 유용한 것으로 생각된다. 향후 본 연구결과를 토대로 보충응용 실험을 수행한다면 임상적용이 가능한 인조 골격근이 개발될 수 있을 것으로 생각된다.

연구결과
1. 임상적용이 가능한 크기의 기능적 골격근의 제작방법의 성공적인 개발
2. 기능적 골격근의 개발을 가속화하기 위한 생체반응기의 개발
3. 생체반응기를 이용한 기능적 골격근 개발 결과, 현재까지 보고된 인공 골격근 중 임상적용이 가능한 가장 큰 크기의 ...

연구결과
1. 임상적용이 가능한 크기의 기능적 골격근의 제작방법의 성공적인 개발
2. 기능적 골격근의 개발을 가속화하기 위한 생체반응기의 개발
3. 생체반응기를 이용한 기능적 골격근 개발 결과, 현재까지 보고된 인공 골격근 중 임상적용이 가능한 가장 큰 크기의 가장 우수한 수축력을 가진 골격근의 개발

활용방안
1. 새로이 개발한 기능적 골격근 제작방법을 이용한 각종 괄약근 및 골격근 결손질환의 치료에 이용
2. 새로이 개발한 생체반응기의 원리를 타 실험에 응용
3. 본 골격근 개발방법과 줄기세포를 이용한 인공골격근의 내구성에 관한 연구를 통해 골격근 결손질환의 영구적인 치료법 개발