연구성과

POSTECH-서울성모병원 공동연구팀, 연골재생 위한 줄기세포 기반 초자연골 스페로이드 분화 촉진 플랫폼 개발

2021-09-24 180

[투과성 나노섬유웰을 통한 초자연골 스페로이드 분화 효율 향상 및 가속화 달성]

연골은 딱딱한 뼈와 뼈 사이에 매끈하고 탄력적인 형태로 존재해 마찰을 줄이고 외부충격에 대한 완충 작용을 하여 뼈를 보호하는 역할을 한다. 때문에 연골이 손상되면 심한 통증과 함께 관절운동이 제한되어 일상생활에 지장을 주게 되므로 삶의 질을 크게 떨어뜨릴 뿐 아니라 손상이 더욱 악화되면 연골관절염으로까지 발전한다. POSTECH과 가톨릭대학교 서울성모병원이 줄기세포를 초자연골 스페로이드로 분화를 촉진시키는 나노섬유웰 기반 세포배양 플랫폼을 개발해 줄기세포 유래 스페로이드형 연골세포치료제 개발의 가능성을 시사했다.

기계공학과 김동성 교수, 통합과정 이성진 씨, 가톨릭대학교 서울성모병원 류마티스내과 주지현 교수, 남유준 박사(현 ㈜입셀 연구소장) 공동연구팀은 산소와 성장인자의 투과를 촉진하는 나노섬유웰 기반 세포배양 플랫폼을 개발해, 줄기세포의 초자연골(hyaline cartilage) 스페로이드로의 분화 효율을 현격히 향상시켰다. 이번 연구성과는 바이오 가공기술 분야의 대표 국제학술지인 ‘바이오패브리케이션(Biofabrication)’에 최근 게재됐다.

효과적인 연골재생을 위해서는 줄기세포 스페로이드가 섬유연골(fibrous cartilage)이 아닌 건강한 연골의 주 성분이며 치료 효과가 우수한 초자연골로 분화돼야 한다. 줄기세포 스페로이드를 종래의 불투과성 세포배양 용기에서 연골 분화를 진행할 경우, 스페로이드 주변의 불균질한 연골 분화 환경으로 인해 초자연골로의 분화 효율이 저해됐다.

이런 단점을 극복하기 위해 연구팀은 나노섬유 막에 대한 마이크로 딥드로잉 공정을 개발, 연골막을 모사하는 투과성 나노섬유웰을 제작했다. 나노섬유웰의 투과성 벽면을 통해 연골 분화에 필수적인 산소와 성장인자들이 원활히 투과가 가능해 줄기세포 스페로이드에 균일한 연골 분화 환경을 공급할 수 있게 됐으며, 이를 통해 줄기세포 스페로이드의 초자연골로의 분화를 촉진하는 데 성공했다.

또한, 연구팀은 기존 불투과성 세포배양 용기에서 20일이 소요된 연골 분화 기간이 나노섬유웰을 활용하면 14일로 단축될 뿐 아니라 연골 기능도 매우 향상되는 것을 확인했다. 마지막으로, 연골 결손 쥐 모델을 사용해 나노섬유웰을 활용해 제작된 초자연골 스페로이드를 연골 손상 부위에 이식했을 경우, 8주 후에 이식된 부분에 섬유연골이 아닌 초자연골과 유사한 조직으로 재생이 이루어지는 것을 확인해 치료 효과를 확인했다.

김동성 교수는 “실제 연골막을 통해 산소와 영양분이 연골에 공급되는 것에 영감을 받아 투과성 나노섬유웰을 개발했으며 덕분에 줄기세포 스페로이드에 균질한 연골 분화 환경을 구현해 냄으로써 초자연골로 분화 효율을 향상시켰다”며 “연구 결과는 퇴행성 관절염 등의 비가역성, 난치성 연골 질환의 효율적인 재생 치료 방안이 될 가능성이 있다”고 기대감을 밝혔다.

한편, 본 연구를 통해 개발된 기술은 셀로이드㈜에 기술이전이 진행 중이며, ㈜입셀과 공동연구를 통해 상용화 개발을 진행 중이다. 이 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 바이오·의료기술개발사업 및 중견연구사업과 보건복지부의 재원으로 보건의료기술연구개발사업의 지원을 받아 수행됐다.