가톨릭의대 의생명과학교실 전흥재 교수(세포조직공학연구소장)가 가톨릭중앙의료원 산하 임상연구팀과 함께 다학제적 연구를 통해 ‘심장 조직 재생을 위한 패치’를 개발했다.
허혈성 심질환은 심근세포의 자가재생능력 결여로 인한 것으로, 최근 약물 및 첨단 의료기술의 발전에도 불구하고 전 세계적으로 가장 큰 사망원인으로 인식되고 있다.
손상된 심근의 복구를 위해 대체 공급원 마련을 위한 줄기세포를 이용한 무수한 기초 및 임상 시험 등이 지난 20여 년 간 이루어졌다. 하지만 심장의 경우 이식된 줄기세포의 생착률이 불과 5~10%로 낮고, 이식된 줄기세포조차도 산소와 영양분의 공급 부족으로 인해 생존율이 매우 낮아 세포 치료제의 효율성은 현저히 떨어진다.
이러한 문제를 해결하기 위해 스캐폴드를 사용한 심장 조직 재생 의학이 새로운 전략으로 등장했다. 하지만, 지금까지 나노섬유를 이용하여 제조된 패치형 스캐폴드가 각광을 받고 있었지만, 줄기세포가 삼차원 조직체계로 발전하는데 필요한 세포의 이동을 어렵게 한다는 한계를 지니고 있었다.
스캐폴드는 생체재료를 사용하여 제조된 줄기세포가 점착, 이동, 증식 그리고 분화를 할 수 있는 천연 세포외기질의 인공적 모사체이며, 심장재건의 경우, 허혈부위에 줄기세포와 함께 점착 시킬 수 있는 패치형(patch) 스캐폴드가 가장 강력한 후보이다.
전흥재 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 천연 세포외기질의 구성성분인 콜라겐 나노섬유와 수술용으로 널리 사용되는 합성 PLGA 마이크로섬유로 구성된 새로운 패치형 바이모달(bi-modal) 스캐폴드를 개발했고, 바이모달 패치의 심장조직공학제제로서 실현 가능성을 응급의학과(여의도성모병원 위정희 교수), 순환기내과(성빈센트병원 유기동 교수), 그리고 흉부외과(부천성모병원 심성보 교수) 등의 유수의 임상연구진이 검토했다.
PLGA(polylactic-co-glycolic acid)는 Lactic acid - Glycolic acid의 공중합체로서 약물 전달(Drug delivery system) 연구를 위한 세포 및 조직친화성을 갖춘 생분해성 고분자이다.
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 사용해 제작됐으며, 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.
골수 유래 중간엽 줄기세포(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 결과는 Col/PLGA가 장기간 줄기 세포 보유 능력을 보유하여 줄기 세포가 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 보여줬다.
기존의 세포치료 방식으로 이식된 세포의 생착 기간이 48시간임을 감안하면 진일보된 성과다.
또한 이식된 줄기 세포가, 심근 및 혈관 내피 세포로 직접 기능하거나 회복 인자를 분비할 수 있음을 강력하게 뒷받침했다. 그 결과 조직학적 및 심초음파 소견으로 심장 기능이 크게 개선됨이 입증됐다.
전흥재 교수는 “이번 연구는 공학, 기초 및 임상의학이 접목된 다학제적 과제이고 그 결과를 도출하는데 어려움이 있었으나 연구진들의 적극적인 참여로 좋은 결과를 얻을 수 있었다.”라며, “후속으로 진행 중인 대동물 및 CT 등의 영상의학 결과가 포함된 보다 실용화에 가까운 연구 결과를 가까운 시일 내로 발표하겠다.”라고 말했다.
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 생체재료학회지 ‘biomaterials research (IF:15.863)’에 게재됐다.