포스텍 연구팀, 줄기세포 활용한 퇴행성 관절염 재생치료 가능성 제시
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포스텍 연구팀, 줄기세포 활용한 퇴행성 관절염 재생치료 가능성 제시
  • 정 현 기자
  • 승인 2021.09.26 01:00
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포스텍-서울성모병원 공동연구팀 논문, 국제학술지 'Biofabrication' 8월 31일자 게재

[헬쓰in논문] 연골은 뼈와 뼈 사이에 매끈하고 탄력적인 형태로 존재하면서 마찰을 줄이고 외부충격에 대한 완충 작용을 한다.

뼈를 보호하는 이러한 역할 때문에 연골이 손상되면 심한 통증과 함께 관절운동이 제한되어 일상생활에 지장을 주게된다. 게다가 손상이 더욱 악화되면 연골관절염으로까지 발전하게 된다.

최근 국내 연구진이 줄기세포를 초자연골 스페로이드로 분화를 촉진시키는 나노섬유웰 기반의 세포배양 플랫폼을 개발해 새로운 연골세포치료제 개발의 가능성을 제시해 관심이 모아지고 있다.

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)은 23일, 기계공학과 김동성 교수 연구팀과 가톨릭대학교 서울성모병원 류마티스내과 주지현 교수 연구팀으로 구성된 공동연구팀이 산소와 성장인자의 투과를 촉진하는 나노섬유웰 기반 세포배양 플랫폼을 개발해, 줄기세포의 초자연골(hyaline cartilage) 스페로이드로의 분화 효율을 현격히 향상시켰다고 밝혔다.

왼쪽부터 서울성모병원 남유준 박사, 서울성모병원 주지현 박사, 포스텍 김동성 교수, 포스텍 이성진 통합과정생 / 사진=POSTECH
왼쪽부터 서울성모병원 남유준 박사, 서울성모병원 주지현 박사, 포스텍 김동성 교수, 포스텍 이성진 통합과정생 / 사진=POSTECH

이번 연구성과를 담은 논문은 바이오 가공기술 분야의 SCI급 국제학술지 ‘바이오패브리케이션(Biofabrication, IF=9.954)’ 8월 31일자에 게재됐다.

논문명은 'Perichondrium-inspired permeable nanofibrous tube well promoting differentiation of hiPSC-derived pellet toward hyaline-like cartilage pellet hiPSC(인간유도만능줄기세포 유래 초자연골 펠릿 분화 촉진을 위한 연골막에서 영감을 받은 투과성 나노섬유웰)'이며, 포스텍 김동성 교수와 가톨릭대학교 서울성모병원 주지현 교수가 공동 교신저자로, 서울성모병원 남유준 박사와 포스텍 이성진 통합과정생이 공동 제1저자로 참여했다.

공동연구팀의 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 말했다. 

국제학술지 'Biofabrication' 최근호에 실린 해당 논문
국제학술지 'Biofabrication' 최근호에 실린 해당 논문

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 개발해, 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.

나노섬유웰을 통한 줄기세포 스페로이드의 초자연골로의 분화를 촉진 / 자료이미지=POSTECH
나노섬유웰을 통한 줄기세포 스페로이드의 초자연골로의 분화를 촉진 / 자료이미지=POSTECH

연구팀은 또, 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.

한편, 이번 연구를 통해 개발된 기술은 셀로이드㈜에 기술이전이 진행 중이며, ㈜입셀과 공동연구를 통해 상용화 개발을 진행하고 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 바이오·의료기술개발사업 및 중견연구사업과 보건복지부의 재원으로 보건의료기술연구개발사업의 지원을 받아 수행됐다.


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