[사이언스] 골, 연골 재생 동시에... 줄기세포구상체 자가조립 통한 골-연골 조직 재생기술 개발

특허뉴스 이성용 기자 | 기사입력 2021/11/30 [12:10]

[사이언스] 골, 연골 재생 동시에... 줄기세포구상체 자가조립 통한 골-연골 조직 재생기술 개발

특허뉴스 이성용 기자 | 입력 : 2021/11/30 [12:10]

▲ 골, 연골 분화유도인자가 고정화된 나노섬유와 줄기세포 자가조립을 통한 골, 연골 세포구상체 제작 / 골, 연골 분화인자를 생분해성 고분자 나노섬유에 고정화하고 줄기세포와의 자가조립을 통해 줄기세포구상체 내부에서 골, 연골 분화유도 시그널을 전달하여 외부 배양조건에 영향을 받지 않고 줄기세포가 자발적으로 골, 연골 분화가 가능한 골, 연골세포구상체를 제작하고 각각 높은 골, 연골 분화효율을 보이는 것을 증명함. (그림설명 및 그림제공 : 한양대학교 신흥수 교수)  © 특허뉴스

 

 

단단한 뼈와 유연한 연골, 언뜻 보기에도 서로 다른 이 둘을 동시에 재생시킬 수 있다는 연구결과가 나왔다.

 

한국연구재단은 한양대학교 신흥수 교수 연구팀이 골과 연골로 자발적으로 분화될 수 있는 인공조직을 만들고, 이를 실제 조직과 유사한 수준으로 재생시킬 수 있음을 보였다고 30일 밝혔다.

 

미분화된 세포로 특정 조직 세포로 분화할 수 있는 능력을 지닌 줄기세포들이 응집된 지름 수백 밀리미터 크기 구형 구조체들의 세포나 세포외기질이 외부 영향 없이 자발적인 성장·이동을 통해 융합되는 과정인 자가조립을 통해 이중층의 인공조직을 유도해 낸 것이다.

여기서, 분화할 수 있는 능력은 줄기세포가 골, 연골, 지방 조직 등으로 그 구조나 기능이 특수화되는 과정을 말한다.

 

아직 미분화된 줄기세포의 증식이나 분화를 조절하여 손상조직에 이식할 세포를 얻기 위한 연구가 활발하다. 하지만 복잡한 골-연골의 미세환경을 공학적으로 구현, 실제 생체 내에서 골과 연골조직으로 동시에 재생되도록 하는 한편 이식된 세포들이 오래 살아남도록 하는 것은 여전히 과제로 남아있다.

 

▲ 골, 연골세포구상체가 탑재된 구조체의 자가조립을 통한 골-연골 이중층구조 모사 구조체 제작 / 골, 연골세포구상체를 3차원 프린팅을 통해 제작한 구조체에 탑재한 뒤, 두층을 세포들의 자가조립으로 결합시켜 골-연골 이중층 구조 모사 3차원 인공 조직 구조체를 제작함. 구조체 내부에서 골층의 세포구상체는 골세포의 특이적인 collagen type 1 (Col1a)만을 발현하고 연골 층의 세포구상체는 연골세포 특이적인 collagen type 2 (Col2a)만을 발현하는 것을 증명함. (그림설명 및 그림제공 : 한양대학교 신흥수 교수)   © 특허뉴스


이에 연구팀은 줄기세포들이 구형으로 응집된 구조체 내부에 골과 연골 분화인자를 전달, 분화효율을 2배 이상 높여 외부인자 없이 자발적으로 골과 연골로 분화될 수 있도록 했다.

이를 통해 실제 골-연골 조직과 유사한 이중층 구조로 구현하는 데 성공했다. 또한, 21일에 걸친 장기배양에도 줄기세포 구조체는 본래 골, 연골세포 성질을 특이적으로 유지했다.

 

▲ 골-연골 조직 결손 동물모델에 골-연골 이중층모사 구조체 이식 후 평가 / 토끼 활차구 골-연골 조직 결손 모델에 골-연골 이중층모사 구조체를 이식한 결과, micro-CT 촬영을 통해 다량의 골 조직이 형성된 것을 확인하였고 조직학적 분석을 통해 대조군 대비 다량의 조직이 형성되어있으며 실제 연골과 비슷한 구조의 연골 층이 재생된 것을 safranin O 염색을 통해 확인함. (그림설명 및 그림제공 : 한양대학교 신흥수 교수)   © 특허뉴스


이렇게 만들어진 구조체를 활차구 골-연골 조직이 없는 토끼모델에 이식한 결과, 골 재생이 대조군 대비 2배 이상으로 나타나는 한편 국제연골재생평가기준의 2.5배에 달하는 성숙한 연골이 형성됐다.

 

활차구(trochlea) : 무릎 부위 슬개골과 대퇴골이 만나는 경계에 존재하는 오목한 도르래 모양의 골연골로 구성된 완충작용을 수행하는 해부학적 구조물.

 

신흥수 교수는 줄기세포 구상체의 분화를 특이적으로 제어하고 자가조립을 통해 실제 골-연골 조직과 유사한 구조체를 구현한 것이라며, “손상 부위 이식 연구는 물론 약물 유효성 및 독성평가에 쓰일 수 있는 오가노이드 개발에도 실마리가 될 것이라고 설명했다.

오가노이드는 줄기세포로부터 자가재생 및 자가조직화를 통해 형성된 모델 장기의 특이적 세포를 포함하고 있는 3차원 세포집합체이다.

 

이번 연구의 성과는 국제학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’20211121일 게재(온라인)되었다

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