▲ 합성 고분자 매트릭스, poly-Z 상 인간 지방유래 줄기세포 스페로이드 형성 모식도(그림=KAIST)  © 특허뉴스

KAIST 연구진이 줄기세포 치료의 가장 큰 한계 중 하나로 지적돼 온 ‘체내 생존력 저하’ 문제를 정면 돌파할 수 있는 3차원 배양 기술을 제시하며 재생의료 패러다임 전환 가능성을 열었다. 단순히 줄기세포를 더 많이 주입하는 방식이 아니라, 줄기세포가 체내에서 더 오래 살아남고 더 효과적으로 기능하도록 세포 주변 환경 자체를 정밀 설계하는 접근법이다. 이는 줄기세포 치료가 ‘세포 수’ 중심에서 ‘세포 환경 설계’ 중심으로 진화할 수 있음을 보여주는 신호로 평가된다.

KAIST 생명과학과 전상용 교수 연구팀은 생체친화적 합성 고분자 물질 ‘poly-Z’를 활용해 인간 지방유래 줄기세포(hADSCs)를 실제 생체 환경과 유사한 구조에서 배양할 수 있는 3차원 플랫폼을 개발했다. 연구팀은 기존 2차원(2D) 배양 방식에서 반복적으로 나타났던 세포 노화와 기능 저하 문제를 넘어, 줄기세포의 분화능력·면역조절능력·체내 지속성을 동시에 향상시키는 데 성공했다.

이번 기술의 핵심은 줄기세포 자체를 바꾸는 것이 아니라, 줄기세포가 자라는 ‘환경’을 바꿨다는 점이다. 연구팀이 개발한 poly-Z는 배양 기판 표면의 물리·화학적 특성을 조정해 세포가 평면에 부착되는 대신 스스로 3차원 스페로이드 구조를 형성하도록 유도한다. 이를 통해 세포외기질 생성이 증가하고, 실제 인체 조직과 유사한 미세환경이 조성되면서 줄기세포 기능이 보다 자연스럽고 강력하게 유지된다.

이는 재생의료 산업에서 중요한 의미를 가진다. 기존 줄기세포 치료의 구조적 문제는 주입된 세포 상당수가 체내에서 빠르게 소멸하거나 기능이 저하된다는 점이었다. 세포 수를 늘려도 치료 효율이 기대만큼 높지 않았던 이유다. 그러나 KAIST의 이번 연구는 세포의 생존성과 기능 유지 메커니즘 자체를 개선함으로써, 동일한 세포 수로도 더 높은 치료 효과를 낼 가능성을 제시했다.

실제 동물실험 결과도 이를 뒷받침한다. poly-Z 기반 3차원 배양 줄기세포는 급성 대장염과 급성 간손상 모델에서 기존 방식 대비 더 우수한 치료 효과를 보였다. 이는 염증성 질환 치료 영역에서 줄기세포 치료제가 보다 실질적 상용화 가능성을 가질 수 있음을 의미한다. 특히 염증 조절과 조직 회복 능력이 동시에 향상됐다는 점에서, 향후 자가면역질환·퇴행성질환·난치성 조직 손상 분야로의 확장 가능성도 주목된다.

과학적 의미 역시 크다. 연구팀은 poly-Z 환경에서 인테그린 및 FAK 신호전달 체계가 활성화되며 줄기세포 기능 강화가 유도된다는 점을 확인했다. 이는 줄기세포 치료가 단순 세포 이식 기술이 아니라, 세포-환경 상호작용을 정밀 제어하는 바이오엔지니어링 기술로 발전할 수 있음을 시사한다. 다시 말해, 재생의료의 경쟁력은 좋은 세포 확보를 넘어 ‘세포가 최고의 성능을 낼 수 있는 환경 플랫폼’을 누가 설계하느냐로 이동할 가능성이 커지고 있다.

산업적 파급력도 상당하다. 글로벌 재생의료 시장은 줄기세포, 조직공학, 세포치료제 중심으로 빠르게 확대되고 있지만, 실제 임상 적용에서는 생존율과 효율성 문제가 상용화 장벽으로 작용해 왔다. KAIST의 이번 기술은 이러한 병목 지점을 해결할 수 있는 플랫폼 기술로 평가될 수 있으며, 향후 세포치료제 제조 공정, 바이오소재 산업, 난치성 질환 치료제 개발 전반에 구조적 영향을 미칠 가능성이 있다.

특히 한국 바이오산업 입장에서는 의미가 더욱 크다. 반도체·AI에 이어 바이오가 미래 전략산업으로 부상하는 가운데, 줄기세포 치료의 핵심 경쟁력이 단순 세포 확보가 아니라 배양 플랫폼·생존성 강화·임상 효율 구조로 이동할 경우, 소재·공정·치료제 전반을 아우르는 융합 기술력이 중요해진다. poly-Z와 같은 고분자 기반 플랫폼은 이러한 ‘바이오 제조 경쟁력’ 확보 측면에서도 전략적 가치가 높다.

이번 연구가 국제학술지 Advanced Science에 게재됐다는 점 역시 학술적 신뢰성과 기술적 독창성을 보여준다. 이는 단순 실험실 성과를 넘어 글로벌 재생의료 기술경쟁 구도에서 한국형 플랫폼 기술의 존재감을 강화하는 신호로도 읽힌다.

결국 KAIST의 이번 성과는 줄기세포 치료의 질문을 바꾸고 있다. 얼마나 많은 줄기세포를 넣을 것인가가 아니라, 줄기세포가 얼마나 오래·효율적으로 살아남아 치료 기능을 발휘하게 만들 것인가의 문제다. 재생의료의 다음 단계는 세포 자체보다 세포가 작동하는 환경의 정밀 설계에 달려 있을 가능성이 크다. KAIST는 바로 그 지점에서 ‘환경공학형 줄기세포 치료’라는 새로운 방향성을 제시했다.

전상용 교수는 “이번 연구는 합성 고분자 기반의 정밀한 3차원 배양 환경을 통해 줄기세포의 기능과 치료 효능을 동시에 향상시킬 수 있음을 보여준 성과”라며 “염증성 질환을 비롯한 다양한 난치성 질환 치료를 위한 차세대 줄기세포 치료제 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

KAIST 이노코어(InnoCORE) AI-혁신신약연구단 서창진 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구 논문명은 Polymer Matrix-Based 3D Culture Significantly Enhances the Differentiation and Immunomodulatory Functions of Human Adipose-Derived Stem Cells이다.