숙명여자대학교 화공생명공학부 최경민 교수(랩인큐브(주) 대표 겸직)팀과 중앙대학교 융합공학부 김태형 교수팀이 희귀질환 치료제 개발에 사용되는 신경줄기세포를 외부 분화인자 처리없이 고효율로 취득하는 새로운 줄기세포 분화 플랫폼(SMENA)을 세계 최초로 개발하는데 성공했다. 본 기술이 상용화되면 줄기세포 기반의 다양한 치료제 생산에 획기적인 전기를 마련할 수 있을 것으로 기대된다.
줄기세포는 ‘분화’라는 과정을 통해 인체를 구성하는 다양한 세포로 전환이 가능한 세포로서, 퇴행성 및 희귀질환 치료를 위한 세포치료제 개발 연구에 중요하게 쓰인다. 실제 생체 내의 줄기세포는 복잡한 생체 정보 뿐만 아니라 분화 및 성장에 필요한 영양소를 끊임없이 공급받으며 다양한 거동이 조절된다. 따라서 줄기세포 치료제의 분화 효율과 안정성을 향상시키기 위해선 실제 생체 내 환경의 특성을 모사한 실험실 배양 환경 조성이 핵심적이다.
현재 다양한 나노구조 및 물질을 이용한 연구가 진행되고 있지만, 원하는 세포를 얻기 위한 핵심 분화기술은 여전히 다양한 분화 및 성장인자를 세포 배양액에 첨가하고 이를 주기적으로 교체하는 불연속적 공급 방식에 의존하고 있어 줄기세포 분화 효율 및 세포 취득률이 크게 변동한다는 한계가 있다.
공동 연구팀은 기존의 실험실 환경에서 신경줄기세포의 신경분화를 자동적으로 유도함으로써, 실제 생체 내 환경 특성을 모사하고, 줄기세포의 분화 효율을 극대화할 수 있는 새로운 ‘줄기세포 분화플랫폼’(SMENA, Single Metal-Organic Framework-Embedded Nanopit Arrays)’을 세계 최초로 완성해 문제를 해결했다. 본 플랫폼은 신경줄기세포의 신경분화에 유리한 나노 홀 패턴과 장기간 일정하게 신경분화에 필수적인 인자를 방출할 수 있는 금속-유기 골격체 나노입자로 구성된다. 플랫폼은 분화 유도 인자를 담지한 금속-유기 골격체 나노입자가 단일 나노 홀 내부에 하나씩 위치하도록 구성한 세계 최초의 세포 배양 플랫폼이다.
#. 줄기세포 자동 분화 플랫폼 SMENA 설명
플랫폼은 ▲나노 홀 패턴의 형상이 자체적으로 신경줄기세포의 신경분화를 유도하는데 적합한 구조라는 점 ▲분화인자가 나노입자 내부에서 배양액에서보다 높은 화학적 안정성을 가져 세포에게 보다 안정적으로 분화인자를 공급할 수 있다는 점 ▲분화인자를 담지한 나노입자로부터 일정한 농도의 분화유도인자를 약 한 달 이상 장기간 방출시킬 수 있다는 점 ▲나노입자를 단일 나노홀 내부에 하나씩 담지함으로써 약 3주 이상이 소요되는 줄기세포의 신경분화 기간 동안 세포와 나노입자 간의 접촉을 막고, 나노입자의 소실없이 신경분화가 자동적으로 유도될 수 있다는 장점이 있다.
이에 따라 약 2주 후의 신경분화 효율을 비교한 결과, 기존의 분화 프로토콜 대비 43배 이상 신경분화가 촉진되었음이 확인됐다. 또한, 어떤 종류의 추가적인 분화 유도인자도 첨가하지 않아 분화 과정 자체가 매우 간단하게 되어 각 분화용 배치 간의 세포 취득 효율도 매우 안정적인 것을 확인할 수 있었다.
공동연구팀은 “이번에 개발한 플랫폼은 줄기세포 분화를 자동 유도함으로써 매우 간단하고 효율적으로 줄기세포 분화가 가능하고 나아가 신경줄기세포 뿐만 아니라 간엽줄기세포, 유도만능줄기세포, 배아줄기세포 등을 포함해 다른 종류의 줄기세포 분화에도 활용할 수 있어 퇴행성 및 희귀질환 치료를 위한 줄기세포 기반의 세포 치료제 생산에 새로운 플랫폼으로 사용할 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 바이오의료기술 개발사업, 중견연구자 지원사업, 중소벤처기업부의 산학연 Collabo R&D 사업을 통해 이뤄진 것이다. 중앙대 김태형 교수 연구실의 조연우 박사과정 학생과 숙명여대 최경민 교수 연구실의 지서현 박사과정 학생이 제1저자, 김태형 교수와 최경민 교수가 교신저자를 맡았다. 중앙대 대학원 융합공학과를 졸업한 Intan Rosalina Suhito 박사와 융합공학부 이정현 재학생, 성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 박천권 교수도 공동저자로 참여했다.
보다 자세한 연구성과는 Single metal-organic framework–embedded nanopit arrays: A new way to control neural stem cell differentiation 논문을 통해 확인할 수 있다. 해당 논문은 세계 3대 학술지 사이언스(Science)의 자매지인 사이언스 어드밴스(Science Advances)에 지난달 20일 온라인 게재됐다. 전 세계에서 가장 주목할 만한 재료 분야의 최신 연구 성과를 요약하는 네이처 리뷰 머티리얼(Nature Reviews Materials, IF 66.31)의 Research Highlight로도 선정돼 5월 중 게재될 예정이다.
