생체내 나노코딩 제어 시스템 개발-정밀한 나노코딩 시스템 제어로 신개념 임플란트 소재로의 발전 기대

생체내 나노코딩 제어 시스템 개발-정밀한 나노코딩 시스템 제어로 신개념 임플란트 소재로의 발전 기대

 

등록일 2020.08.28.

 

 

생체내 나노코딩 제어 시스템 개발
정밀한 나노코딩 시스템 제어로 신개념 임플란트 소재로의 발전 기대

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 고려대학교 연구팀이 임플란트 소재 표면에서 세포의 부착과 분화를 조절할 수 있는 생체내 나노코딩 제어 시스템을 개발했다고 밝혔다.
○ 이 연구는 국제학술지 Advanced Materials에 제 1 저자 민선홍 석박사통합과정생, 제 1저자 전유상 박사, 교신저자 김영근 교수, 교신저자 강희민 교수 순으로 8월 21일 게재되었다.
* 논문명: Independent Tuning of Nano-Ligand Frequency and Sequences Regulates the Adhesion and Differentiation of Stem Cells

□ 줄기세포는 주변 환경을 감지하며 그 환경에 맞는 조직 세포로 분화할 수 있다. 이런 특성을 이용하여 뼈, 지방, 근육, 심근, 혈관, 연골 등 다양한 기관 조직 세포로 분화를 유도할 수 있어 재생 의학 및 공학 분야에서 주목받고 있다.
○ 그러나 체내에서 줄기세포의 부착에 대한 조절 뿐만 아니라 분화에 대한 조절이 원활하지 않다는 문제점이 있다.
* 줄기세포 : 상대적으로 미분화된 세포로 주변 환경에 따라 특정 세포로의 분화가 가능하기 때문에, 생체 재생, 인공 장기 형성, 세포 치료 등 환자 맞춤형 치료를 위한 핵심 세포로 각광받고 있음
□ 연구팀은 나노틀과 펄스전기도금을 이용하여 제작된 철-금 다층 구조 나노선(나노바코드)을 활용하여 임플란트 소재 표면 위에서 리간드의 주기성과 배열순서를 정밀하게 제어할 수 있는 나노 코딩을 통한 줄기세포의 부착 및 분화의 조절이 가능한 시스템을 개발하였다.
* 펄스전기도금: 각 금속이온의 환원전위에 따라 서로 다른 크기의 전류 혹은 전압을 도금용액에 인가하여 특정 금속 이온만의 환원을 유도하는 나노소재 합성 방식
* RGD 리간드: 세포 부착을 매개하게 하는 세포외 기질(Extracellular Matrix)의 단백질 중 파이브로넥틴의 아미노산 서열. 세포막에 존재하는 수용체 인테그린(integrin)은 RGD 리간드를 인지하고 세포가 부착되도록 함
* 나노바코드: 철, 금 같은 이종의 금속이 교대로 대나무처럼 마디를 형성하는 다층 구조 나노선을 이용하여, 각 마디의 주기성과 배열순서를 바꾸어 특성을 달리할 수 있는 나노구조

□ 나노바코드는 그 마디의 주기성과 배열순서를 다르게 하여 다양한 표현형을 가지도록 유도되었고, 나노리간드 주기성이 낮고 배열순서가 끝단에 위치할수록 줄기세포의 부착율과 골세포로의 분화율이 성공적으로 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

□ 나노바코드를 이용한 리간드 주기성과 배열순서의 정밀한 코딩 제어 시스템 개발로 임플란트 소재의 생체내 줄기세포의 제어 가능성을 검증한 데 의의가 있다.

□ 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 신진 연구자지원사업 및 중견연구자지원사업의 지원으로 수행 되었다.

주요내용 설명

<작성자 : 고려대학교 김영근, 강희민 교수>
< 논문명, 저자정보 >

논문명
Independent Tuning of Nano-Ligand Frequency and Sequences Regulates Adhesion and Differentiation of Stem Cells
저 자
김영근 교수 (교신저자/고려대학교), 강희민 교수(교신저자/고려대학교) 민선홍 (공동 제1저자, 고려대학교), 전유상 박사 (공동 제1저자, 고려대학교), 정희준 박사 (공동 제1저자, Northwestern University), 찬드라 카투아 (Chandra Khatua) (공동 저자, 고려대학교), 나 리 (Na Li) (공동 저자, 고려대학교), 배건휴 (공동저자, 고려대학교), 최효준 (공동저자, 고려대학교), 홍혁식 (공동저자, 고려대학교), 신정은 (공동저자, 고려대학교), 고민준 (공동저자, 고려대학교), 고한석 (공동저자, 고려대학교), 인동준 (공동저자, 고려대학교), 부홍은 (Hong En Fu) (공동저자, 고려대학교), 김승현 (공동저자, 고려대학교), 비나약 드라비드 (Vinayak Dravid) (공동저자, Northwestern University)

< 연구의 주요내용 >
1. 연구의 필요성
○ 줄기세포는 세포외 환경을 감지하며, 뼈, 지방, 근육, 심근, 혈관, 연골 등 다양한 세포로 분화할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 최근에는 이러한 특성을 이용하여 손상된 장기, 조직을 재생시키기 위해 줄기세포 또는 줄기세포에서 분화된 세포의 체내이식이 많이 연구되고 있다. 이를 위해 줄기세포의 재생 효과를 효율적으로 제어하기 위한 방법으로 생체 내에서 리간드의 제시를 통한 기술이 널리 이용되고 있다. 그러나 기존의 마이크로 규모의 인테그린 리간드 펩티드(RGD)가 숙주 줄기세포의 부착을 조절할 수는 있지만, 줄기세포의 분화에 대한 조정은 하지 않는 문제가 있다.
○ 또한 세포외 기질을 효율적으로 모사한 RGD 주기적 혹은 배열순서의 나노코딩 시스템은 줄기세포의 부착, 세포역학신호 변환(mechano transduction), 분화 메커니즘에 대한 이해에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.
2. 연구내용
○ 펄스전기도금법을 이용하여 철-금 다층 구조를 나노선을 제조하였고 금과 같은 특정 금속에만 선택적으로 RGD 리간드를 코팅하는 방식으로 세포 부착(ligation) 영향을 주는 나노코딩 시스템을 개발하였다.
○ 소재는 인테그린 수용체의 크기를 고려하여 지름 70 nm, 총길이 600 nm 정도로 설정되었으며, 철(0)과 금(1) 의 배열을 규칙적, 비규칙적 형태로 다양한 표현형을 가지도록 하여 RGD 배열을 조절하였다.
○ 구체적으로 위에서 언급한 주기성은 300 nm 씩 (01), 150 nm 씩 (01)2, 75 nm씩 (01)4, 30 nm 씩 (01)10 로 규칙적인 배열순서와 끝단에 RGD 배열이 되는 것을 고려한 150 nm 씩 (0110), 75 nm 씩 (0110)2 의 비규칙적인 배열순서가 사용되었다.
○ 체외 및 체내 세포 실험에서 동일하게 리간드의 주기성이 낮아질수록, 배열순서가 끝단에 위치할수록 줄기세포의 부착 및 골분화율이 확연히 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
○ 이러한 실험 결과를 기반으로 체외 및 체내 세포 실험에서 줄기세포의 부착과 골분화의 차이를 확인함으로써 나노바코드의 RGD 주기성 및 배열 순서를 제어하여 줄기세포의 세포 부착 및 분화 촉진 조절이 가능함을 검증할 수 있었다.

3. 연구성과/기대효과
○ 나노바코드의 RGD 주기성 및 배열 순서를 코딩시스템 제어하여 줄기세포의 부착 및 분화 촉진 조절이 매우 용이함을 검증할 수 있었다.
○ 본 연구에서 개발된 나노바코드는 세포 분화를 조절하여 원하는 조직의 재생을 통한 다양한 재생치료 적용이 가능할 것으로 기대된다.
○ 또한 상기 나노바코드는 자성적 특성을 보유하고 있기 때문에 추후 연구에서 자기장을 기판에 인가하는 방법으로 가역적인 동적 제어가 가능한 분화조절 연구로의 확장이 가능할 것으로 기대된다.
○ 고안된 나노바코드 기반의 플랫폼은 줄기세포 뿐 아니라 대식세포, 암세포 등에도 적용이 가능할 것으로 예측되며 나노소재 기반 바이오 메디컬 분야에 폭넓은 방향으로 연구가 적용될 수 있다.
○ 줄기세포 분화를 조절하여 원하는 조직의 재생을 통한 다양한 재생치료/의학에 적용이 가능하다.
○ 최근 의학계에서 중요한 이슈로 떠오르고 있는 환자 개개인 맞춤형 치료에 상용화될 가능성이 있다.

그림 설명

 

 

(그림1) 생체내 나노코딩 제어 시스템의 모식도
나노바코드를 이용하여 임플란트 소재 표면 위에서 리간드의 주기성과 배열순서를
정밀하게 제어할 수 있는 나노 코딩을 통한 줄기세포의 부착 및 분화의 조절이 가능한
시스템의 모식도.
제공 : 고려대학교 김영근, 강희민 교수

 

(그림2) 생체내 주기 및 배열순서 나노코딩에 따른 줄기세포 제어 시스템의 모식도
나노바코드는 그 마디의 주기성과 배열순서를 다르게 하여 다양한 표현형을
가지도록 유도되었고, 나노리간드 주기성이 낮고 배열순서가 끝단에 위치할수록
줄기세포의 부착율과 골세포로의 분화율이 성공적으로 향상되는 모식도
제공 : 고려대학교 김영근, 강희민 교수

연구 이야기

<작성자 : 고려대학교 김영근, 강희민 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

기존에는 환자 맞춤형 재생 치료 등 생체에 적용되어 매우 큰 이슈를 가지고 있는 줄기세포의 분화를 조절하기 매우 어려웠는데, 본 연구진이 보유하고 있는 주기성 변화가 무궁무진한 다층 나노선에 적용하면 이를 해결하는데 단서를 가질 수 있을 것이라 생각했습니다.

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

다층 나노선을 바코딩하는 데 있어서 우선은 인테그린 수용체를 고려하여 소재의 폭, 크기를 우선적으로 조절하고자 하였습니다. 또한, 가장 중요한 연구 이슈로 삼았던 것이 서로 다른 철(Fe)-금(Au) 이종 금속의 경계가 명확하게 나뉘어져야 한다는 점이었습니다. 이러한 부분을 해결하기 위해 투과전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscope)을 이용하여 그 경계면을 확인하고 에너지 분산형 X-선 분광법(EDS, Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)을 도입하여 각 층의 금속 원자간 변화를 검증하였습니다. 그 후 표면에 RGD나 카복실기와 같은 기능성 도입을 푸리에변환 적외분광 분석법(FTIR, Fourier Transform Infrared Spectrometry)으로 확인하였고, 완성된 나노바코드를 기판 위에 매우 균일하게 분산시켰습니다. 기판에 부착된 나노바코드를 체외 세포 실험으로 실제 줄기세포 부착과 분화에 큰 영향을 주는지 공초점 레이저 현미경(CLSM, Confocal Laser Scanning Microscope)으로 검증하는 과정을 거친 후 마우스를 이용하여 체내에서도 이러한 시스템이 작동할 수 있다는 것을 확인하였습니다.

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

나노바코드의 주기성이 달라지면 소재의 기본 특성인 자기적 특성, 응집률, 금속간 비율, 코팅되는 표면 작용기 양이 달라질 수 있으므로 나노바코드의 RGD 자체에서의 주기성, 배열순서 만이 줄기세포에 영향을 주는 것임을 입증하기 위해 다른 실험적 요소들을 제거하는 데 큰 노력을 들였습니다.

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

지금까지 많은 연구자들이 세포의 부착에 영향을 주는 RGD를 사용하고 있지만 이를 줄기세포의 분화조절을 위해 새로운 소재를 고안하는 연구는 많이 미진한 상황이었습니다. 그러나 본 연구진들이 개발한 나노바코드와 같이 주기성이 다른 생체 친화적 소재에 의해 줄기세포의 분화가 조절되는 연구는 지금까지 보고된 바 없는 매우 독창적인 연구결과입니다.

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

세포의 임상적용 가능성을 확인하고 향후 조직 재생 치료 분야를 새롭게 개척하여 환자 개개인의 상황에 따른 맞춤형 치료 시스템을 구축하는 것이 목표입니다. 또한, 줄기세포뿐만 아니라 현재의 바코드 플랫폼은 대식세포, 암세포 등 다른 세포에 충분히 적용 가능할 것으로 기대하고 있어서 이번에 개발된 나노바코드가 목표에 다다를 수 있는 기초 연구가 되었으면 하는 바램입니다.