합성 PLGA 마이크로섬유로 구성된 새로운 패치형 “바이모달 스캐폴드” 개발

가톨릭대학교 의과대학 의생명과학교실 전흥재 교수(세포조직공학연구소장)가 가톨릭중앙의료원 산하 임상연구팀들과 함께 다학제적 연구를 통해 “심장 조직 재생을 위한 패치”를 개발했다.

허혈성 심질환은 심근세포의 자가재생능력 결여로 인한 질환으로, 치료 약물 및 첨단의료기술의 발전에도 불구하고 전 세계적으로 가장 큰 사망원인으로 인식되고 있다.

손상된 심근 복구를 위한 대체 공급원을 마련하기 위하여 줄기세포를 이용한 무수한 실험과 임상시험 등이 지난 20여년간 이루어졌다. 하지만 심장의 경우 이식된 줄기세포의 생착률이 5~10% 정도에 불과하고, 이식된 줄기세포 조차도 산소와 영양분의 공급 부족으로 인하여 생존율이 매우 낮아 세포치료제의 효율성은 현저히 떨어진다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 스캐폴드를 사용한 심장 조직 재생의학이 새로운 전략으로 등장했다. 스캐폴드란, 생체재료를 사용하여 제조된 줄기세포가 점착, 이동, 증식 그리고 분화를 할 수 있는 천연 세포외기질의 인공적 모사체이며, 심장 재건의 경우, 허혈부위에 줄기세포와 함께 점착시킬 수 있는 패치형(patch) 스캐폴드가 가장 강력한 후보이다. 현재는 나노섬유를 이용하여 제조된 패치형 스캐폴드가 각광을 받고 있지만, 줄기세포가 삼차원 조직 체계로 발전하는데 필요한 세포의 이동을 어렵게 한다는 한계를 가지고 있다.

이에 따라 전흥재 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위하여 천연 세포외기질의 구성 성분인 콜라겐 나노섬유와 수술용으로 널리 사용되는 합성 PLGA 마이크로섬유로 구성된 새로운 패치형 바이모달(bi-modal) 스캐폴드를 개발하였고, 바이모달 패치의 심장조직 공학제제로서 실현 가능성을 응급의학, 순환기 그리고 흉부외과 등의 유수의 임상연구진들이 검토했다. PLGA(polylactic-co-glycolic acid)는 Lactic acid - Glycolic acid의 공중합체로서 약물 전달(Drug delivery system) 연구를 위한 세포 및 조직친화성을 갖춘 생분해성 고분자 물질이다.

전흥재 교수 연구팀이 개발한 바이모달 전기방사 스캐폴드는 콜라겐과 Poly(D,L-lactic-co-glycolic acid) (Col/PLGA)로 구성된 나노/마이크로 두 가지 형태의 복합 섬유 패치이다. 이들은 독립적인 노즐 제어 다중 전기방사 장치를 사용하여 제작하였으며, 줄기세포 함유 심장 패치로 실현 가능성에 대해 체계적으로 조사했다.

Col/PLGA 패치의 나노/마이크로 바이모달 분포는 4-6% 콜라겐 농도 범위에서 나타났으며, 콜라겐의 약한 기계적 성질과 PLGA의 소수성 성질은 공동 전기방사에 의해 개선됐다. 골수유래 중간엽줄기세포(BMSC)를 사용한 시험관 내 실험에서 Col/PLGA는 PLGA에 비해 향상된 세포 적합성 및 증식 능력을 보였고 콜라겐 함량이 증가함에 따라 그 정도가 증가한 것으로 나타났다.

나노 입자 및 GFP(녹색형광단백질)가 표지된 BMSC를 추적한 결과, Col/PLGA가 장기간 줄기세포 능력을 보유하여 줄기세포가 심근 및 혈관 내피 세포로 직접 기능하거나 회복 인자를 분비할 수 있음을 강력하게 뒷받침했고, 결과적으로 조직학적 및 심초음파 소견으로 입증된 심장 기능 개선으로 이어졌다.

이처럼 BMSC를 사용한 시험관 내 실험에서 바이모달 패치는 세포 적합성 및 증식 능력의 향상을 보였으며, 동물실험에서 나노입자 표지 및 GFP를 이용한 줄기세포의 추적 결과 바이모달 패치는 4주 이상의 장기간 줄기세포 생착 능력을 보여주었다. 기존의 세포치료 방식으로 이식된 세포의 생착 기간이 48시간임을 감안하면 대단한 성과임에 틀림이 없다.

또한 이식된 줄기세포가 심근 및 혈관 내피 세포로 직접 기능하거나 회복인자를 분비할 수 있음을 강력하게 뒷받침했다. 그 결과 조직학적 및 심초음파 소견으로 심장 기능이 크게 개선됨이 입증되었다.

한편, 이번 연구는 “심근 재생을 위한 줄기세포 탑재 나노 및 마이크로 콜라겐/PLGA 바이모달 섬유 패치(Stem cell laden nano and micro collagen/PLGA bimodal fibrous patches for myocardial regeneration)”라는 제목으로 세계적 생체재료학회지지 biomaterials research (IF:15.863)’에 게재됐으며, 최근 생물학연구정보센터(BRIC, Biological Research Information Center) 한국을 빛내는 사람들(한빛사)에 선정, 등재되었다.

콜라겐 유래 펩타이드 GFOGER 이 결합된 주사가능한 하이드로젤(MPEG-PCL) 제작

가톨릭대학교 의과대학 의생명과학교실 전흥재 교수(세포조직공학연구소장) 연구팀이 하이드로젤 기반 줄기세포 배양 플랫폼을 개발하며 무릎 연골 재생의 단초를 제시했다.

연골은 한 번 손상을 입으면 자가 재생이 어렵다. 특히 무릎의 경우, 뼈끼리 지속적으로 부딪히는 부분으로 연골이 지속적으로 닳아 골 관절염과 같은 질환들을 야기하기 쉽다. 현재는 치료 시기에 따라 진통소염제 처방, 물리치료, 인공관절 대체 등의 치료가 무릎 연골 질환의 치료법으로 제시되고 있다.

최근 줄기세포를 이용해 무릎 연골을 재생하는 치료법이 등장하면서 최후의 수단인 인공관절로 대체하는 수술을 늦출 수 있게 되었지만 줄기세포를 이용한 치료는 세포치료제로서의 한계점을 가지고있다. 줄기세포 자체의 재생효과는 뛰어나지만, 무릎 질환 부위에 이식했을 때 다른 부위로 치료제가 퍼져나가면서 생착률이 현저히 떨어진다는 문제점이 발견되었다.

이에 전흥재 교수 연구팀(가톨릭대학교 의과대학 의생명과학교실 전흥재 교수, 세포/조직공학연구소 양대혁 교수, 하미연 박사)은 무릎 연골 재생 연구에 조직공학적 접근을 시도하였다.

여러 스캐폴드 중, 줄기세포가 잘 성장할 수 있도록 콜라겐 유래 펩타이드인 GFOGER를 도입해 주입할 수 있는 하이드로젤(MPEG-PCL)을 제작했다. 또한 온도 감응성 생체재료로 줄기세포를 수용액 상태에서 섞어준 뒤, 질환 부위에 주사했을 때 생체 내에서 체온에 의하여 순간적으로 젤화되어 연골의 결손부위에 줄기세포가 빈틈없이 잘 정착할 수 있음은 물론, 이식되는 줄기세포의 손실을 최소화함으로써 치료 효능을 극대화하는 치료제를 디자인하였다.

시험관 실험에서 하이드로젤 내 줄기세포의 부착과 증식 및 분화 관련한 유전자들의 변화가 유의미하게 증가했고, 동물실험에서 GFP 녹색 형광 단백질(Green fluorescent protein)을 이용한 줄기세포의 추적 결과, 4주 이상의 장기간 동안 줄기세포 생존 능력을 보였다. 또한, 이식된 줄기세포가 손상된 부위의 연골세포로 직접 기능하여 뼈 연골 재생 능력이 향상됨을 조직학적 및 영상학적으로 입증하였다.

연구책임자인 전흥재 교수는 “줄기세포를 이용해 개발한 이 생체재료는 성장인자나 면역 관련 인자들을 쉽게 섞어 사용할 수 있어 재생의학 분야에서의 효용성 또한 기대된다.”며 “세포조직공학 연구소가 여러 학문을 융합해 실질적으로 의료분야에 적용할 수 있는 다양한 시각으로 접근해 연구를 수행하는 만큼, 추후 무릎 연골 질환 환자들의 치료뿐만 아니라 줄기세포를 이용한 다른 장기의 재생에도 보탬이 되도록 할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 “골 연골 재생을 위한 줄기세포가 함유된 GFOGER이 결합된 주사 가능한 하이드로젤(In-situ forming injectable GFOGER-conjugated BMSCs-laden hydrogels for osteochondral regeneration)”라는 제목으로 세계적 권위지 Nature의 자매지로서 조직공학과 재생의학 분야 최고 수준의 저널인 《npj Regenerative Medicine》(IF:14.404)에 게재됐으며, 최근 생물학연구정보센터(BRIC, Biological Research Information Center) 「한국을 빛내는 사람들」(한빛사)에 선정, 등재되었다.

한편, 이번 연구는 2014년부터 산업통상자원부의 전략 핵심 소재 기술 개발사업(기능성 의료용 생분해성 폴리에스터 소재 개발)의 지원을 받아 수행되었다.