가톨릭의대 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.
현재까지는 치료시기에 따라 진통소염제 처방, 물리치료, 인공관절 대체 등의 치료법만이 무릎 연골 질환의 치료법으로 제시되고 있다.
최근 줄기세포를 이용해 무릎 연골을 재생하는 치료법이 등장하면서 최후의 수단인 인공관절로 대체하는 수술을 늦출 수 있게 됐지만 세포치료제로서의 한계점이 있다.
줄기세포 자체의 재생효과는 뛰어나지만, 무릎 질환 부위에 이식했을 때 다른 부위로 치료제가 퍼져나가는, 즉, 생착률이 현저히 떨어진다는 문제점이 발견됐다.
전흥재 교수팀(가톨릭대학교 의과대학 의생명과학교실 전흥재 교수, 세포/조직공학연구소 양대혁 교수, 하미연 박사)은 무릎 연골 재생 연구에 조직공학적 접근을 시도했다.
여러 스캐폴드 스캐폴드는 생체재료를 사용해 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.
중, 줄기세포가 잘 성장할 수 있도록 콜라젠 유래 펩타이드인 GROGER를 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 의해 순간적으로 젤화돼 연골의 결손부위에 줄기세포가 빈틈없이 잘 정착할 수 있음은 물론, 이식되는 줄기세포의 손실을 최소화함으로써 치료 효능을 극대화하는 치료제를 디자인했다.
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 장기간동안 줄기세포 생존 능력을 보였다.
또한, 이식된 줄기세포가 손상된 부위의 연골세포로 직접 기능하여 뼈 연골 재생 능력이 향상됨을 조직학적 및 영상학적으로 입증했다.
연구 책임자인 전흥재 교수는 “줄기세포를 이용해 개발한 이 생체재료는 성장인자나 면역 관련 인자들을 쉽게 섞어 사용할 수 있어 재생의학 분야에서의 효용성 또한 기대된다.”라며, “세포조직공학 연구소가 여러 학문을 융합해 실질적으로 의료분야에 적용될 수 있는 다양한 시각으로 접근해 연구를 수행하는 만큼, 추후 무릎 연골 질환 환자들의 치료뿐만 아니라 줄기세포를 이용한 다른 장기의 재생에도 보탬이 되도록 할 것이다.”라고 말했다.
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 선정ㆍ등재됐다.
한편, 이번 연구는 2014년부터 산업통상자원부의 전략 핵심 소재 기술 개발사업(기능성 의료용 생분해성 폴리에스터 소재 개발)의 지원을 받아 수행됐다.