줄기세포를 특정 환경이나 신호에 노출하여 뼈, 지방, 근육, 심근, 혈관, 연골 등 원하는 조직으로 분화를 유도하려는 연구가 인공장기나 세포치료 등을 위한 재생의학 분야에서 활발하다.
특히 골다공증, 골연화증, 퇴행성 골질환 등의 치료를 도울 수 있는 단단한 임플란트 구조물의 표면에서 줄기세포를 자극하려는 연구가 이뤄지고 있지만 실시간 원격으로 분화를 제어하는 데 어려움이 있었다. 가역적 제어라는 측면에서도 숙제가 남아 있었다.
연구진은 마치 용수철처럼 자기장에 의해 길이가 늘어났다가(원래 길이의 126%) 자기장 인가를 멈추면 다시 원래 길이로 돌아오는 1μm 남짓(두께 70nm)한 나선형 합금 나노코일을 제작했다.
나노코일은 생체 내외에서 자기장을 이용하여 나노미터 수준으로 정밀하게 조절할 수 있으며, 세포 내부로 함입되거나 부러지지 않는 기계적 강도를 갖고 있어, 생체 내에서도 가역적으로 신축할 수 있는 특성을 갖는다.
연구진은 자기장에 반응하는 나노코일 표면에 세포와 결합할 수 있는 RGD 리간드를 코팅하고 자기장으로 리간드의 간격을 가역적으로 실시간 원격 조절하여 줄기세포의 부착 및 분화를 조절하는 시스템을 제안했다.
실제 쥐에 이식한 이후, 외부에서 자기장을 인가하여 생체 내 삽입된 나노코일을 늘어나게 한 경우 줄기세포의 부착이 촉진되었고 줄기세포의 골분화도 촉진된 것을 확인했다.
원격으로 원하는 시점에 줄기세포 분화를 위한 자극을 전달할 수 있는 나노코일 시스템의 구동을 동물모델에서 검증함으로써 향후 생체 내 줄기세포 정밀제어 연구의 단초가 될 것으로 기대된다.
과학기술정보통신부 개인기초연구(중견연구 및 신진연구 등)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)에 2월 3일 00시(한국시간) 게재되었다.
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(연구배경)
줄기세포는 주변의 환경을 감지하여 분화자극이 가해지면 그에 상응하는 뼈, 지방, 근육, 심근, 혈관, 연골 등 다양한 기관 조직 세포로 분화할 수 있다. 최근에는 이러한 특성을 이용하여 재생의학 및 공학 분야에서 손상된 장기, 조직을 재생시키기 위해 줄기세포가 많이 연구되고 있다.
줄기세포의 재생능력을 효과적으로 제어하기 위한 방법으로 생체 내에서의 리간드 제시를 이용한 기술들이 널리 이용되고 있으며, 기존의 마이크로 규모 인테그린 리간드 펩티드(RGD)가 숙주 줄기 세포의 부착은 조절하지만 줄기세포의 분화를 조정하는데 한계가 있다.
콜라겐 같은 세포접착성 세포외기질 단백질의 가역적인 신장 및 수축 작용은 세포 골격 액틴과 초점 접착 복합체의 조직을 효과적으로 자극할 수 있다고 알려졌으나, 이를 나노소재로 구현하는 연구는 보고되지 않았다.
따라서 세포외기질을 효과적으로 모사하고 세포접착성 RGD 리간드의 간격을 실시간 원격으로 가역적으로 제어할 수 있는 나노코일 시스템은 줄기세포의 부착과 분화, 그리고 세포역학신호변환 (mechanotransduction) 메커니즘에 대한 이해에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다.
(연구내용)
전기도금 방법을 이용하여 코발트-철 합금 나노코일을 제조하였고, 나노코일 표면에 세포부착성 RGD 리간드를 코팅하여 생체 내/외에서 자기장으로 리간드의 간격을 원격, 실시간으로 조절할 수 있는 나노코일 시스템을 개발하였다.
구체적으로 나노코일은 약 70nm 두께의 나노선들이 외경 180nm, 총 길이 1μm로 꼬인 나선형 구조를 갖고, 나노코일 시스템은 외부 자기장에 의해 최대 26% 신장할 수 있으며, 자기장이 없을 때는 원래 상태로 수축하여, 세포에 제시되는 세포접착성 RGD 리간드의 간격을 실시간 원격, 가역적으로 제어할 수 있다.
또한 나노코일은 세포 내부로 함입되거나 부러지지 않는 기계적 강도를 갖고 있으며, 생체 내에서도 가역적으로 신축할 수 있는 특성을 갖는다.
체외 및 체내 세포 실험에서 동일하게 외부 자기장을 인가하여 나노 코일의 간격이 늘어난 상태 즉, 세포접착성 RGD 리간드의 간격이 늘어난 신장 상태에서 줄기세포의 부착 및 골분화율이 확연히 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 실험결과를 기반으로 체외 및 체내 세포 실험에서 줄기 세포의 부착과 골분화의 차이를 확인함으로써 나노코일의 RGD 제시 간격을 원하는 시점에 원격으로 조절하여 줄기세포의 세포 부착 및 분화 촉진의 정밀한 제어가 가능함을 검증할 수 있었다.
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(기대효과)
RGD 리간드가 코팅된 나노코일의 구조를 원격으로 제어하여 세포에 제시되는 리간드의 폭을 제어하였고, 이를 기반으로 줄기세포의 부착 및 분화 능력을 효과적으로 조절할 수 있었다.
이번 연구에서 개발된 나노코일은 줄기세포의 부착과 분화를 조절하여 원하는 장기나 조직의 재생 등 다양한 재생의학에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
나노코일의 구조 제어 효과가 입증되었기 때문에 향후 연구들에서 세포부착 조절을 위해 구조 제어가 가능한 다른 새로운 구조체들의 개발 등으로의 확장이 가능할 것으로 예측된다.
고안된 나노코일 시스템은 줄기세포뿐 아니라 대식세포, 암세포 등에도 응용이 가능할 것으로 예상되며 나노소재들을 활용한 바이오 메디컬 분야에 폭넓은 연구 가능성을 제시할 것으로 기대된다.
이 나노코일 구조는 자기장을 이용하여 치료 시점의 원격 제어가 가능하기 때문에 최근 중요한 이슈로 떠오르고 있는 맞춤형 의료에 맞추어 환자 치료에 상용화될 가능성이 있다.
