성장하는 인간의 뼈: 재생 의학의 발전

### 몸 밖에서 성장하는 인체 뼈: 뼈 재생의 잠재적 혁신: 뼈 재생의 가능성
* 뼈의 성장 과정은 태아에서 부드러운 연골로 시작하여 점차 **칼슘과 인산염으로 이루어진 미네랄 격자**로 대체됩니다.
* 🔬 과학자들은 환자 자신의 줄기세포, 미네랄 격자, 체내 상태를 시뮬레이션하는 생체 반응기를 사용하여 **체외에서 뼈를 성장시키는 방법**을 연구하고 있습니다.
* 🚀 우주에 있는 우주 비행사는 **골격의 긴장이 부족하면 파골 세포 활동이 증가**하여 조골 세포가 뼈를 재건하는 속도보다 빠르게 뼈를 분해하기 때문에 **뼈 손실을 방지하기 위해 지속적으로 운동**을 해야 합니다.
* 금속이나 기증자의 뼈를 사용하는 것과 같은 현재의 뼈 복구 방법에는 **면역 체계에 의한 감염이나 거부 반응의 위험** 등 한계가 있습니다.
* 🐖 실험실에서 성장한 뼈는 이미 동물에게 성공적으로 이식되었으며, **이르면 2016년부터 인간을 대상으로 한 실험**이 시작될 수 있습니다.
* 🔬 "이상적인 해결책은 **환자 자신의 세포로 만든 뼈를 구멍의 정확한 모양에 맞게 성장시키는 것**"이며, 현재 과학자들이 시도하고 있는 것이 바로 이 방법입니다.
* 이 과정은 **환자의 지방 조직에서 줄기세포를 추출**하고, **3D 프린터 또는 탈세포화된 소 뼈**를 사용하여 결손된 뼈를 모델링한 다음, **환자의 줄기세포를 생물 반응기의 미네랄 격자 위에 배치**하는 과정으로 이루어집니다.
* 🏥 이 방법이 성공한다면 **암 제거, 외상성 사고, 유전적 결함과 같은 질환에 개인 맞춤형 생체 적합성 솔루션**을 제공하여 뼈 복구에 혁신을 가져올 수 있습니다.

과학자들은 바이오리액터에서 환자 자신의 줄기세포를 사용하여 맞춤형 인간 뼈를 성장시키는 방법을 개발하고 있습니다.

Can you grow a human bone outside the human body? The answer may soon be yes, but before we can understand how that's possible, we need to look at how bones grow naturally inside the body. Most bones start in a growing fetus as a soft, flexible cartilage. Bone-forming cells replace the cartilage with a spongy mineral lattice made of elements like calcium and phosphate. This lattice gets harder, as osteoblasts, which are specialized bone-forming cells, deposit more mineral, giving bones their strength. While the lattice itself is not made of living cells, networks of blood vessels, nerves, and other living tissues grow through special channels and passages. And over the course of development, a legion of osteoblasts reinforce the skeleton that protects our organs, allows us to move, produces blood cells, and more. But this initial building process alone is not enough to make bones strong and functional.

If you took a bone built this way, attached muscles to it, and tried to use it to lift a heavy weight, the bone would probably snap under the strain. This doesn't usually happen to us because our cells are constantly reinforcing and building bone wherever they're used, a principle we refer to as Wolff's Law. However, bone materials are a limited resource, and this new, reinforcing bone can be formed only if there is enough material present. Fortunately, osteoblasts, the builders, have a counterpart called osteoclasts, the recyclers. Osteoclasts break down the unneeded mineral lattice using acids and enzymes so that osteoblasts can then add more material. One of the main reasons astronauts must exercise constantly in orbit is due to the lack of skeletal strain in free fall. As projected by Wolff's Law, that makes osteoclasts more active than osteoblasts, resulting in a loss of bone mass and strength.

When bones do break, your body has an amazing ability to reconstruct the injured bone as if the break had never happened. Certain situations, like cancer removal, traumatic accidents, and genetic defects, exceed the body's natural ability for repair. Historical solutions have included filling in the resulting holes with metal, animal bones, or pieces of bone from human donors, but none of these are optimal as they can cause infections or be rejected by the immune system, and they can't carry out most of the functions of healthy bones. An ideal solution would be to grow a bone made from the patient's own cells that's customized to the exact shape of the hole, and that's exactly what scientists are currently trying to do. Here's how it works. First, doctors extract stem cells from a patient's fat tissue and take CT scans to determine the exact dimensions of the missing bone. They then model the exact shape of the hole, either with 3D printers,

or by carving decellularized cow bones. Those are the bones where all of the cells have been stripped away, leaving only the sponge-like mineral lattice. They then add the patient's stem cells to this lattice and place it in a bioreactor, a device that will simulate all of the conditions found inside the body. Temperature, humidity, acidity, and nutrient composition all need to be just right for the stem cells to differentiate into osteoblasts and other cells, colonize the mineral lattice, and remodel it with living tissue. But there's one thing missing. Remember Wolff's Law? An artificial bone needs to experience real stress, or else it will come out weak and brittle, so the bioreactor constantly pumps fluids around the bone, and the pressure tells the osteoblasts to add bone density. Put all of this together, and within three weeks, the now living bone is ready to come out of the bioreactor.

and to be implanted into the patient's body. While it isn't yet certain that this method will work for humans, lab-grown bones have already been successfully implanted in pigs and other animals, and human trials may begin as early as 2016.

How to grow a bone - Nina Tandon

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TED-Ed

연구자들은 인간의 뼈가 자연적으로 발달하는 것과 유사하게 체외에서 성장할 수 있는 가능성을 탐구하고 있습니다.

뼈는 태아에서 유연한 연골로 시작하여 조골세포의 작용을 통해 스펀지 같은 미네랄 격자로 대체됩니다.

조골세포와 파골세포 사이의 균형은 뼈의 강도에 매우 중요하며, 우주의 미세 중력과 같은 요인이 이 균형을 깨뜨려 뼈 손실로 이어질 수 있습니다.

뼈 재건을 위한 혁신적인 솔루션

우리 몸은 부러진 뼈를 치유하는 놀라운 능력을 가지고 있지만, 특정 상황은 이러한 자연 치유를 압도할 수 있습니다.

뼈의 빈틈을 메우는 기존의 방법은 감염과 면역 거부를 유발하는 차선책이었습니다.

현재 과학자들은 환자 자신의 줄기세포와 3D 프린팅 또는 탈세포화된 소의 뼈를 사용하여 신체 상태를 시뮬레이션하고 골밀도를 위해 유체 압력을 가하는 바이오리액터를 통해 맞춤형의 살아있는 뼈를 성장시키는 해결책을 연구하고 있습니다.

실험실에서 배양한 뼈를 돼지와 같은 동물에 이식하는 데 성공하여 인간에게 적용할 수 있는 가능성을 보여주었습니다.

이 방법에 대한 인간 대상 임상시험은 빠르면 2016년부터 시작될 수 있습니다.

실험실에서 배양한 뼈가 인간에게 효과가 있는지는 아직 불확실합니다.