‘올렸다 내렸다’ 맞춤형 재생치료 상용화 성큼
생체 내 실시간 원격 제어 리간드 스크린 시스템 개발
나노 차원의 동적 제어로 신개념 재생치료 패러다임 제시
강희민 교수팀 연구결과, Advanced Materials 게재

▲ 홍현식 석박사통합과정생(제1저자, 왼쪽)과 강희민 교수(교신저자, 오른쪽)

공과대학 신소재공학부 연구팀이 생체 재료 표면에서 줄기세포의 부착과 분화를 원격 제어할 수 있는 리간드 스크린 시스템을 세계 최초로 개발했다.

강희민 교수 연구팀(제1저자 : 홍현식 석박사통합과정생)의 이번 연구결과는 국제학술지 Advanced Materials(Impact Factor: 30.849)에 2021년 10월 16일 게재됐다.
 * 논문명 : Dynamic Ligand Screening by Magnetic Nanoassembly Modulates Stem Cell Differentiation

줄기세포는 분화되지 않은 세포로서 주변 환경을 감지하여 그 환경에 상응하는 특정 조직 세포로 분화할 수 있다. 이러한 특성으로 줄기세포는 근육, 심근, 혈관, 뼈, 연골 등 다양한 기관 조직 세포로의 분화가 유도될 수 있어 재생 의학 및 공학 분야에서 각광받고 있다. 그러나, 줄기세포의 부착뿐만 아니라 분화에 대한 조절은 생체 내에서 원활하게 이뤄지지 않는다는 문제점으로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있다.
* 줄기세포 : 분화되지 않은 세포로서 주변 환경에 따라 특정 조직 세포로의 분화가 가능하여 세포 치료, 조직재생, 인공 장기 형성 등 환자 맞춤형 치료를 위한 핵심 세포로 주목받고 있음

(그림1) 생체 내 리간드 스크린 시스템의 모식도

외부 자기장을 이용한 스크린과 리간드 사이 나노 간격의 원격 조절로 줄기세포의 부착과 분화를 조절함으로써 소재 표면에서 줄기세포의 거동을 조절하는 모식도.

연구팀은 초 상자성(super paramagnetic) 성질을 갖는 나노 크기의 마그네타이트(Fe3O4) 입자들로 구성된 결합체를 유연한 링커를 이용하여 RGD 리간드가 분산된 소재 표면에 결합시켜 리간드 스크린 역할을 할 수 있게 했으며, 외부 자기장을 이용한 자성 결합체(스크린)의 움직임을 통해 소재 표면 위에서 스크린과 리간드 사이의 나노 간격을 조절하여 줄기세포의 거동을 원격으로 제어할 수 있는 시스템을 개발했다.
  * 초 상자성 : 나노입자등의 작은 자성체에서 보이는 성질로, 자기장을 가하면 자화가 되어 자성을 지니지만 자기장을 없애면 자화가 소멸되어 자성을 잃는 성질
  * 마그네타이트 결합체(스크린) : 약 10 nm 크기 초 상자성 마그네타이트 입자들의 결합체로, 자기장을 걸면 자성을 지니게 되어 자석의 방향으로 움직이고, 자기장이 없어지면 자성을 잃어 실시간으로 원격 동적제어가 가능한 구조체
  * 유연한 링커 : 수십 나노미터 길이의 폴리에틸렌 글리콜로, 스크린을 소재 표면에 연결 및 고정시키는 역할을 하며 자기장이 가해졌을 때 스크린이 링커의 길이만큼만 움직일 수 있도록 함 
  * RGD 리간드 : 세포외 기질에 존재하는 피브로넥틴, 라미닌, 콜라겐 등의 단백질 속 세포 부착을 매개하는 아미노산 서열. 세포막에 존재하는 수용체(인테그린)은 RGD 리간드를 인지하고 세포가 부착되도록 함

외부 자기장에 의해 스크린과 리간드 사이의 나노 간격이 넓어지게 되면 줄기세포의 부착과 골분화는 촉진되고, 반대로 나노 간격이 좁아지게 되면 줄기세포의 부착과 골분화가 억제됨을 밝혔다. 뿐만 아니라, 결합체(스크린)의 크기에 따른 줄기세포의 제어 효과 또한 확인하여 노출된 리간드의 분산도가 낮을 때 줄기세포의 부착 및 기계감지가 더 촉진되는 것을 보였으며, 이러한 효과들은 생체 내에서도 효과적이라는 것 또한 입증했다.

(그림2) 생체 내 스크린과 리간드 간격에 따른 줄기세포 제어 시스템의 모식도
외부 자기장을 이용한 실시간 원격 제어로 생체 내에서 스크린과 RGD 리간드 사이의 간격을 조절하여

스크린과 리간드 사이의 간격이 넓어질 때 줄기세포의 부착율과 골세포로의 분화율이 성공적으로 향상되는 모식도

이번 연구에서 개발된 시스템의 리간드 스크린 크기 및 모양은 조절될 수 있고, 사용된 RGD 리간드는 다양한 생체활용성 단백질로 대체될 수 있으므로 환자의 상황에 맞추어 치료 방법을 응용할 수 있다. 또한, 외부 자기장으로 생체 내에서 스크린과 리간드 사이의 나노 간격을 원격 제어함으로써 다양한 생체 내 반응을 무해한 방법으로 원격 제어하는 새로운 조직 재생치료 패러다임을 제시했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 신진 연구지원사업 및 기본연구의 지원으로 수행됐다.