고려대, 세계 최초 생체 구조의 분자 수준 동적 모사로

줄기세포 정밀 제어 기술 개발

△ Advanced Materials 표지 논문 선정

고려대학교(총장 김동원) 신소재공학부 강희민 교수 연구팀이 생체 조직의 기능 및 재생을 조절하는 데 핵심적인 세포외기질(ECM)의 복합적이고 동적인 구조를 분자 수준에서 정밀하게 모사해, 줄기세포의 움직임을 효과적으로 제어할 수 있는 시스템을 개발했다.

본 연구 성과는 재료과학 분야의 세계적 학술지인 'Advanced Materials (Impact Factor: 27.4)에 지난 4월 26일 자로 게재됐다. 

* 논문명 : Biomimetic Dynamics of Nanoscale Groove and Ridge Topography for Stem Cell Regulation

* 논문 URL: https://doi.org/10.1002/adma.202419416

뇌, 피부, 뼈 등 다양한 생체 조직은 복잡하고 동적인 홈–능선(groove–ridge) 구조를 포함하고 있으며, 세포외기질 내의 세포 부착성 리간드들과의 상호작용을 통해 세포의 부착, 분화 등 주요 생물학적 거동을 조절한다.

* 리간드(ligand): 생화학 및 약리학에서 생물학적 목적을 위해 생체분자와 복합체를 형성하는 물질

기존 줄기세포 제어 연구들은 세포외기질의 정적인 홈-능선 구조를 모사하는 데는 성공했으나, 분자 수준에 해당하는 수십 나노미터 수준에서 동적으로 홈-능선 상태를 전환할 수 있는 기술은 구현되지 못했다. 이로 인해, 분자 수준의 세포–리간드 상호작용을 정밀하게 규명하거나 이를 기반으로 한 조직 재생 응용 연구에 한계가 있었다.

연구팀은 수십 나노미터 수준에서 홈 폭을 정밀하게 조절할 수 있는 비자성 나노소재를 제작하고, 표면에 세포 부착성 리간드(RGD)를 갖는 자성 나노입자를 고분자 링커를 통해 나노 홈 내부에 유연하게 결합함으로써, 외부 자기장 자극에 의해 원격으로 홈–능선 구조 상태를 동적으로 전환할 수 있는 시스템을 구현했다.

이 시스템은 분자 수준의 홈 폭 차이에 따라 줄기세포의 부착 및 분화를 효과적으로 조절할 수 있었고, 자기장에 의해 자성 나노입자의 상하 위치를 조절함으로써 동적인 홈-능선 상태 전환이 가능하며, 이를 통해 세포 거동을 정밀하게 제어할 수 있었다. 또한 생체 내 실험에서도 이러한 조절 효과가 유효함을 입증했다.

신소재공학과 강희민 교수는 “이번 연구는 세포외기질 구조를 모사해 줄기세포의 분자 수준 거동 메커니즘의 근본적 이해를 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”며, “향후 다양한 세포 제어 기술과 정밀 의료 분야로의 확장이 기대된다”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업, 과학기술정보통신부 나노 및 소재 분야 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

[그림1]

△ [그림 1] 설명: (왼쪽부터) 고려대 신소재공학부 강희민 교수, 고려대 홍현식 박사과정생 (제1저자), 고려대 김다희 박사과정생 (제1저자)

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△ [그림 2] 설명: 수십 나노미터(분자 수준)의 홈 폭 조절 가능한 비자성 나노소재와 자성 나노입자를 이용하여 생체 조직의 동적 홈-능선 구조를 구현한 시스템의 모식도

[그림3]

△ [그림 3] 설명: 비자성 나노소재의 수십 나노미터(분자 수준) 홈 폭 차이 및 시스템의 동적 홈-능선 구조 상태 전환에 따라 세포의 부착 및 분화 정도가 달라질 수 있음을 표현한 모식도