‘올렸다 내렸다’ 맞춤형 재생치료 상용화 성큼
생체 내 실시간 원격 제어 리간드 스크린 시스템 개발
나노 차원의 동적 제어로 신개념 재생치료 패러다임 제시
고려대학교 신소재공학부 연구팀이 생체 재료 표면에서 줄기세포의 부착과 분화를 원격 제어할 수 있는 리간드 스크린 시스템을 개발했다.
고려대 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
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.
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.
주요내용 설명
<작성자 : 고려대학교 강희민 교수>
< 논문명, 저자정보 >
논문명
Dynamic Ligand Screening by Magnetic Nanoassembly Modulates Stem Cell Differentiation(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202105460)
저 자
강희민 교수 (교신저자/고려대학교), 김도균 교수 (교신저자/한양대학교), 홍현식 (제1저자, 고려대학교), 민선홍 (공동저자, 고려대학교), 구사강 (공동저자, 서울대학교), 이윤정 (공동저자, 서울대학교), 윤진호 (공동저자, Rutgers University), 장우영 (공동저자, 고려대학교 안암병원), 강나연 (공동저자, 고려대학교), 라마 땅감 (Ramar Thangam) (공동저자, 고려대학교), 최효준 (공동저자, 고려대학교), 정희준 (공동저자, Northwestern University), 한성범 (공동저자, 고려대학교), 퀴앙 웨이 (Qiang Wei) (공동저자, Sichuan University), 유승호 (공동저자, 고려대학교), 김동휘 (공동저자, 고려대학교), 라마사미 폴무루간 (Ramasamy Paulmurugan) (공동저자, Stanford University), 정웅교 (공동저자, 고려대학교 안암병원), 이기범 (공동저자, Rutgers University), 현택환 (공동저자, 서울대학교)
< 연구의 주요내용 >
1. 연구의 필요성
○ 줄기세포는 주변 환경을 감지하여 그 환경에 상응하는 근육, 심근, 혈관 뼈, 연골 등 다양한 기관 조직 세포로 분화할 수 있다. 이러한 특성으로 인하여 최근 재생 의학 및 공학 분야에서 필요성에 따라 손상된 장기 및 조직 등을 재생시키기 위해 줄기세포가 많이 연구되고 있다. 줄기세포의 분화 및 재생능력을 효과적으로 제어하기 위한 방법으로 생체 내에서의 RGD 리간드 제시를 이용한 기술들이 널리 이용되고 있지만, 기존의 기술들은 실시간 원격 제어의 개념이 부족하여 생체 내 숙주 줄기세포의 필요성에 따른 맞춤형 부착 및 분화의 조절이 미흡하였다.
○ 생체 내에서 콜라겐 섬유나 과성장된 내피세포 등과 같은 특정 조직들은 물리적인 스크린으로써 여러 줄기세포의 상호작용이 수반되는 다른 조직들의 재생 메커니즘을 조절하는 역할을 한다. 하지만, 이러한 물리적인 스크린 원리를 나노소재로 구현하여 줄기세포를 제어한 연구는 보고된 적이 없다.
○ 따라서, 세포외 기질을 효과적으로 모사하고 세포 접착성 RGD 리간드의 제시를 실시간 원격으로 제어할 수 있는 리간드 스크린 시스템은 줄기세포의 부착과 분화, 그리고 세포역학신호변환(mechanotransduction) 메커니즘에 대한 이해에 크게 이바지할 것으로 예상된다.
2. 연구내용
○ 마그네타이트 입자들을 결합시켜 스크린을 만들었고, 이를 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 조절할 수 있는 리간드 스크린 시스템을 개발하였다.
○ 구체적으로, 스크린은 약 10 nm 크기로 초 상자성 성질을 지니는 마그네타이트 입자들로 구성된 구 형태의 구조체이며, 필요성에 맞게 수백나노미터의 차원에서 조절될 수 있다. 리간드 스크린과 리간드 사이의 간격은 외부 자기장에 의해 약 30 nm 내에서 조절될 수 있으며, 자기장이 없을 때는 원래 상태로 돌아가므로 스크린과 리간드 사이의 간격을 원격 제어하여 세포에 제시되는 세포 접착성 RGD 리간드를 조절할 수 있다.
○ 또한, 리간드 스크린은 세포 내부로 함입되지 않고 스크린을 구성하는 마그네타이트간의 결합력이 강해 세포에 의해 결합체가 무너지지 않는다.
○ 체외에서뿐만 아니라 체내 실험에서도 동일하게 외부 자기장을 인가하여 나노 간격이 늘어난 상태, 즉, 스크린과 세포 부착성 RGD 리간드 사이의 간격이 늘어난 상태에서 줄기세포의 부착 및 골분화율이 확연히 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
○ 이러한 실험 결과를 기반으로 체외 및 체내에서 필요성에 따라 스크린과 RGD 리간드 사이의 간격을 원하는 시점에 원격으로 제어하여 줄기세포의 부착 및 분화의 정밀한 조절이 가능하다.
3. 연구성과/기대효과
○ 스크린과 세포 부착성 RGD 리간드 사이의 나노 간격을 원격으로 제어하여 세포에 제시되는 리간드 정도를 제어하였고, 이를 기반으로 줄기세포의 부착 및 분화 능력을 효과적으로 조절할 수 있었다.
○ 본 연구에서 개발된 리간드 스크린은 줄기세포의 부착과 분화를 조절하여 필요성에 따라 원하는 장기나 조직의 재생 등 다양한 맞춤형 재생 의학에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
○ 본 연구를 통해 스크린과 RGD 리간드 사이 간격 제어의 효과가 입증되었기 때문에, 향후 연구들에서 다양한 세포의 제어를 위해 스크린의 크기 및 모양을 조절하거나 RGD 리간드를 생체활용성 단백질로 대체하는 등 새로운 스크린 시스템의 개발 등으로 연구 확장이 가능할 것으로 예측된다.
○ 고안된 리간드 스크린 시스템은 줄기세포뿐만 아니라 대식세포, 암세포 등 다른 세포들에도 적용이 가능할 것으로 예상하며, 나노소재들을 활용한 바이오 메디컬 분야에 폭넓은 연구 가능성을 제시할 것으로 기대된다.
○ 본 리간드 스크린 구조는 생체에 무해한 자기장을 이용하고, 실시간으로 원격 제어가 가능하므로 새로운 생체 재료를 개발하는 데 있어 신개념을 제시하며, 최근 중요한 이슈로 떠오르고 있는 맞춤형 의료 분야에 상용화될 가능성이 있다.
(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.
제공 : 고려대학교 강희민 교수
(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
제공 : 고려대학교 강희민 교수
연구 이야기
<작성자 : 고려대학교 강희민 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
지금까지 환자 맞춤형 재생치료 등 생체에 적용되어 매우 주목받고있는 줄기세포의 거동을 조절하기 매우 어려웠는데, 자성 리간드 스크린을 이용하여 스크린과 리간드 사이 간격 조절을 통한 리간드의 제시를 조절하면 줄기세포의 접착과 분화를 실시간으로 원격 제어할 수 있을 것이라 생각했습니다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
자기적 특성을 갖고, 가역적으로 움직일 수 있도록 시스템에 사용되는 소재의 종류, 크기, 및 형태를 조절하고자 하였습니다. 또한, 이번 연구에서 가장 중요한 이슈로 삼았던 것은 구상한 시스템에서 스크린과 리간드 사이의 간격이 생체 내/외에서 얼마나 넓어지고 좁아지는지를 확인하는 것이었습니다. 이러한 부분을 검증하기 위하여 외부 자기장 조건에 따른 스크린의 높이를 원자간력현미경(AFM, Atomic Force Microscope)로 생체 외에서 비교하여 확인하였습니다. 그 후, 합성한 리간드 스크린의 크기와 구조를 투과전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscope)을 이용하여 정밀하게 확인 및 조절하였고, 진동시편자력계(VSM, Vibrating Sample magnetometer)을 이용하여 합성된 스크린이 가역적인 자기적 특성(초 상자성)을 갖는지 확인하였습니다. 또한, 합성된 시스템에서 목표한 바에 따라 RGD 리간드가 분산되어있는 소재 표면에 스크린이 잘 결합되어 있는지와 생체 내 실험 이후에도 구조적 안정성이 유지되는지 확인하기 위하여 주자전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)을 이용하여 측정하였습니다. 성공적으로 합성된 기판들을 이용하여 자성 제어를 통한 스크린과 리간드 간격 조절에 의해 실제로 줄기세포의 부착과 분화가 얼마나 영향받는지 보기 위하여 체외 세포실험을 진행했고, 각 부착과 분화에 상응하는 단백질들을 면역형광염색하고 공초점 레이저 현미경(CLSM, Confocal Laser Scanning Microscope)으로 확인했습니다. 마지막으로는 면역 결핍 쥐를 이용한 실험으로 생체 내에서도 이러한 시스템과 원리가 제대로 작동할 수 있다는 것을 검증하였습니다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
리간드 스크린은 약 10 nm 크기인 마그네타이드들의 결합체로, 수백개의 마그네타이드들이 결합하여 구 형태를 이루는 구조로 되어 있습니다. 실험 과정에서의 조절을 통하여 스크린의 크기 조절이 가능한데, 어느 정도의 크기가 스크린과 리간드 사이의 간격이 줄기세포의 거동을 제어할 만큼 효과적인지 확인하는 과정과 외부 자기장에 의한 스크린과 리간드 사이의 실질적 간격 제어를 검증하는 과정이 가장 까다로웠습니다. 이를 해결하기 위하여 리간드 스크린의 크기, 구조 및 시스템의 원리를 명확히 이해하고, 다양한 분야의 전문가들과 토의 및 협업을 진행하며 스크린의 크기 및 구조는 TEM과 SEM을 통하여, 실질적 간격 차이와 그로 인한 줄기세포에서의 효과는 각각 AFM과 CLSM을 이용하여 다각도로 검증하였습니다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
지금까지 많은 연구자들이 세포의 부착을 매개하는 RGD를 이용한 줄기세포 연구들을 진행해 왔으나, 실시간 원격 제어를 통하여 체외에서 체내 줄기세포에 제시되는 RGD 리간드를 조절하여 줄기세포의 거동을 제어하는 연구는 많이 미흡한 상황이었습니다. 따라서, 본 연구진이 개발한 자성 리간드 스크린 시스템과 같이 무해한 외부 자극을 통해 실시간으로 줄기세포의 부착과 분화를 조절하는 연구는 아직까지 보고된 바 없는 매우 독창적인 연구결과입니다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?
향후 세포-소재 사이의 복잡한 숙주반응을 이해하고 원격으로 제어함으로써 면역 반응과 조직 재생등의 분야에 큰 발전을 이루고, 리간드 스크린 시스템의 임상적용 가능성 확인 후 조직 재생치료 분야에 새로운 패러다임을 제시하여 환자 개개인의 상황에 따른 맞춤형 치료 시스템을 구축하는 것이 목표입니다. 또한, 줄기세포뿐만 아니라 현재의 리간드 스크린을 이용한 실시간 스크린과 리간드 사이 간격 조절은 대식세포, 암세포 등 다양한 세포들에도 적용 가능할 것으로 기대됩니다. 이번 리간드 스크린 연구를 기반으로 새로운 생체 재료를 개발하는 데 있어 무한한 가능성과 신개념을 제시하고, 맞춤형 재생치료의 상용화에 한걸음 더 나아갔으면 하는 바람입니다.
의학약학 고려대학교 (2022-02-11)