온도감응형 하이드로젤 및 생리활성물질 조절을 통한 맞춤형 조직재생 과정을 보여주는 도식도. 골, 연골, 지방이 완벽하게 재생된 모습을 보여준다.(맨밑그림)

[취재]무릎 연골을 줄기세포 한 방으로 완치할 수 있는 길이 열렸다. 무릎을 다친 운동선수나 연골이 닳아 수술을 앞둔 노인들에 희소식이다.

다만, 상용화까지는 5년 정도 걸릴 것으로 연구진은 예측했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 생체재료연구단이 골이나 연골을 원하는대로 재생할 수 있는 줄기세포 주사기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

이 연구는 홍기현 과학기술연합대학원대학교 KIST-스쿨 의공학과 박사과정 연구원이 주도하고 송수창 KIST 책임연구원이 지도했다.

홍기현 연구원은 “현재 쥐 실험을 통해 성공한 것이고, 향후 중·대형 동물실험에서도 무릎 연골이 회복되는 성과를 본 뒤 임상 등을 진행할 수 있을 것”이라며 “상용화까지 정상적인 연구가 지속될 경우 5년 정도 걸릴 것”으로 조심스레 예측했다.

연구진은 기존의 치료용 줄기세포는 △정맥주사나 복강주사, 치료부위 직접 주사한 줄기세포는 그대로 전신에 퍼져 치료의 효율성이 떨어지고 △줄기세포들이 체내에 들어가서 지지체 없이 험난한 환경과 싸우느라 생존율이 떨어지는 단점이 있다고 지적했다. 또 단점으로 △줄기세포를 원하는 대로 분화시키기가 어려운 점도 문제로 꼽았다.

생체 내 줄기세포 생리활성물질의 투여량을 조절해 투여한 그림. 투여한 하이드로젤이 21일이 지나도 유지되고 있다. 실험쥐 내 주황색은 농도가 진한 상태, 파랑색은 옅어지고 있는그림. 흰색으로보이는 것은 생리활성물질이 거의 없어진 것을 의미한다.

연구진은 이를 극복할 대안으로 줄기세포를 하이드로젤로 감싸 보호한 뒤 원하는 대로 분화시키는 방안을 연구하게 됐다고 설명했다.

하이드로젤(Hydrogel)은 용매가 물이거나 물이 기본 성분으로 들어 있는 젤리 모양의 물질을 말한다.

연구진은 생리활성 물질을 자류롭게 다루는 것이 맞춤형 줄기세포를 생산하는 핵심 기술로 보고, 이를 하이드로젤로 감싼 뒤 마치 레고 조립하듯 단백질의 양과 비율을 조절하는데 성공했다.

송기창 박사(교신저자)

실제 연구진은 실험 쥐의 연골 조직을 최적화하는 방법으로 펩타이드를 활용했다. 단백질 TGF B1에서 발췌한 펩타이드와 N/CADHERIN에서 발췌한 펩타이드를 5대5의 비율로 섞어 무릎연골을 원하는 대로 재생했다. 실험실 수준이지만 이를 눈으로 확인했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 주요사업으로 수행됐다. 연구결과는 국제학술지 ‘바이오머티리얼즈’ 최신호에 2건이 게재됐다.

논문명

1. 3D hydrogel stem cell niche controlled by host-guest interaction affects stem cell fate and survival rate((Biomaterials 게재)

2.Fine‐Tunable and Injectable 3D Hydrogel for On‐Demand Stem Cell Niche (Advanced Science 게재)

저자

△(제1저자) 한국과학기술연구원 홍기현 연구원 (박사과정)

△(교신저자) 한국과학기술연구원 송수창 책임연구원

■ 맞춤형 줄기세포 연구를 주도한 홍기현 연구원 <홍기현 연구원> “줄기세포는 세포분열을 통한 증식과 분화과정을 거쳐 자기 자신을 복제하거나 다른 종류의 세포를 생산할 수 있는 특이한 능력을 가지고 있어 난치성이나 퇴행성 질환, 장기재생 등의 분야에서 주목받고 있습니다.” KIST에서 과제를 수행하고 있는 홍기현 UST KIST-스쿨 의공학과 박사과정 연구원은 이 같이 말하며 “줄기세포야말로 미래 의학을 이끌어갈 차세대 성장동력”이라고 목소리를 높였다. 줄기세포가 성장동력이긴 해도 극복해야할 과제가 아직은 산적하다. 특히, 줄기세포의 낮은 생존율과 분화율, 원하는 부위에 줄기세포가 머무르도록 하는 고도의 기술이 아직은 모자라다. 홍 연구원은 이번 연구가 기존 연구와 다른 점에 대해 “주입형 하이드로젤에 생리활성물질이 종류나 비율에 구애받지 않고 생체 내에서 미세하게 조절돼 생존율이나 원하는 부위에 머무르는 능력뿐만 아니라 맞춤형 분화도 성공했다”고 설명했다. 호스트-게스트 상호작용 (Host-guest interaction)으로 생리활성물질의 종류와 비율을 줄기세포 치료제에서 자유롭게 도입한 사례는 세계 처음이라는 것이다. “현재 이번 연구결과를 중간엽 줄기세포의 기반 조직재생(골, 연골, 지방 등)에 사용 가능 할 것으로 기대하고 있습니다. 향후 생리활성물질의 종류를 바꿔가면서 면역기반치료, 항암치료 등으로 적용 범위를 확장해 나갈 계획입니다.”

박희범 기자  snews@s-news.kr

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