조직재생 유도 지지체에 생리활성 물질 도입-기존 지지체 대비 신장절제 생쥐모델의 신장재생 160% 향상

조직재생 유도 지지체에 생리활성 물질 도입-기존 지지체 대비 신장절제 생쥐모델의 신장재생 160% 향상

 

등록일 2021.04.01.

 

 

조직재생 유도 지지체에 생리활성물질 도입
기존 지지체 대비 신장절제 생쥐모델의 신장 재생 160% 향상

□ 신장 조직의 재생을 위해 삽입되는 지지체에 재생을 도울 생리활성물질을 도입한 연구결과가 소개됐다. 기존 고분자 지지체의 단점을 보완하고 지지체 자체의 재생유도능을 효과적으로 개선했다는데 의미가 있다.

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 한동근 교수(차의과학대학교 의생명과학과) 연구팀이 손상된 조직의 기능회복을 효과적으로 유도할 수 있는 생리활성물질을 함유한 생체활성 고분자 지지체를 개발했다고 밝혔다.

□ 손상된 조직의 재생을 위해서는 세포의 성장 및 분화를 돕는 지지체가 필요하다. 하지만 기존 생분해성 고분자 지지체는 이식 후 분해과정에서 산성물질을 생성, 염증반응을 일으킬 수 있었다.

□ 이에 연구팀은 산성 분해산물에 의한 염증반응을 줄이기 위해 제산제나 연하제에 쓰이는 무독성의 세라믹 입자, 수산화마그네슘을 도입해 지지체 주변에서의 산성화를 억제하고자 했다.
○ 또한 조직재생을 촉진한다고 알려진 연어의 DNA 혼합물과 줄기세포 유래 엑소좀도 첨가했다. 나아가 돼지의 신장에서 추출한 세포외기질을 도입하여 신장조직 환경을 모방하였다. 세포외기질은 세포를 둘러싼 기질로 세포가 성장하고 분화하는데 중요한 역할을 하는 물리적 환경이다.

□ 실제 이렇게 여러 생리활성물질을 도입한 지지체를 부분 신장 절제술로 신장의 25%만 남은 생쥐모델에 이식한 결과
○ 8주후 기존 지지체를 이식 받은 생쥐모델 대비 신장조직 재생(사구체 형성)이 160% 증가한 것으로 나타났다. 또 염증반응과 신장조직의 섬유화는 5배 감소하였다.
○ 신장의 기능을 반영하는 혈액요소질소 및 크레아티닌 수치와 사구체 여과율 등도 정상생쥐와 유사한 수준으로 회복되었다는 설명이다.

□ 실제 조직재생 지지체에 실용화되기 위해서는 생쥐모델에서 나아가 대동물모델에서의 전임상시험 및 사람을 대상으로 하는 임상시험 등을 통한 안전성과 유효성 평가가 필요하다.
○ 생체활성 지지체에 포함된 생화학적 및 생물리학적 특성의 시너지 효과로 신장조직의 재생을 도울 수 있음을 생쥐모델을 이용해 보여줌으로써 관련 연구 활성화의 단초가 될 것으로 기대된다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구) 및 바이오‧의료기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 결과는 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 3월 16일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 차의과학대학교 한동근 교수>

논문명
Integrated Bioactive Scaffold with Polydeoxyribonucleotide and Stem Cell-Derived Extracellular Vesicles for Kidney Regeneration
저널명
ACS Nano
키워드
kidney regeneration, PLGA scaffold, decellularized kidney ECM, PDRN, primed MSC-derived EVs
DOI
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01098
저 자
한동근 교수(교신저자, 차의과학대), 고경원 박사(제1저자, 차의과학대), 박소연(제1저자, 차의과학대), 이은혜 박사(경북의대), 유용인(차의과학대), 김다슬(차의과학대), 김준용(차의과학대), 권태균 교수(경북의대)

1. 연구의 필요성
○ 신장(콩팥)은 우리 몸의 살림꾼으로, 노폐물을 제거하고 적혈구 생성을 도울 뿐 아니라 혈압을 조절하고 뼈를 튼튼하게 한다. 특히 신체기능에 필요한 수분과 염분의 농도를 일정하게 유지하는 균형의 장기다.
○ 세계적으로 성인 10명중 1명에 해당하는 약 5억명이 신장 질환을 가지고 있다. 환자 증가에 따른 세계 투석시장의 규모는 급증하여 106조원(2019년 기준)에 달했으며, 매년 7~9%씩 꾸준히 증가하고 있다.
○ 우리나라는 고혈압, 당뇨 및 비만 등의 성인병 인구의 증가와 인구의 고령화로 신장병 환자의 수는 늘고 있다. 대한신장학회에 따르면 국내 성인 9명 중 1명은 만성 신장병이 있으며, 투석이 필요한 말기 만성 신장병 환자 수도 1만 8642명(2019년 기준)에 이른다. 말기 신부전 환자에게 제일 좋은 치료법은 신장이식이지만, 공여자가 부족해 환자의 80%는 투석 치료에 의존하고 있다.
○ 이에 손상된 장기의 기능을 회복시키기 위한 조직공학·재생의학 연구가 활발하다. 효과적인 신장조직의 재생을 유도하기 위해서는 세포가 성장하고 분화하는데 적합한 환경을 만들어줄 지지체가 필요하다.
○ 최근 이식 후 생체 내에서 분해되어 사라지는 생분해성 고분자가 조직재생을 위한 지지체의 재료로 사용되고 있다. 기존에도 합성 폴리에스터 생체고분자인 폴리락티드-글리콜리드 공중합체(PLGA), 폴리락티드(PLLA), 폴리카프로락톤(PCL) 등이 체내 임플란트, 조직재생, 약물전달, 의료기기 및 의료용품의 주원료로 이용되고 있다.
○ 하지만 고분자가 분해되면서 산성물질을 생성하며, 이는 조직의 괴사 및 심각한 염증반응을 일으킬 수 있다. 따라서 생분해성 의료기기를 임상에 적용하기 위해서는 염증반응을 억제할 수 있는 기술이 절실하다.
○ 또한 생분해성 고분자 지지체에 의한 조직재생을 최적화하기 위해서는 지지체의 생체활성을 높이고, 세포 적합성, 재생유도능 및 기능을 개선하기 위한 전략이 필요하다.

2. 연구내용
○ 연구팀은 신장조직의 재생 효능을 증대시키기 위하여 기존에 개발된 생분해성 지지체에 생리활성물질을 도입하는 전략을 세웠다.
○ 재생을 유도할 수 있는 생리활성물질로는 DNA 단편 혼합물인 PDRN과 기능이 강화된 줄기세포유래 엑소좀을 선택했다. PDRN은 아데노신 A2A 수용체에 선택적으로 작용하여 항염증, 성장인자 촉진, 혈관 생성 등을 일으켜 새로운 재생유도물질로 각광받고 있다.
* PDRN(Polydeoxyribonucleotide) : 연어의 생식세포에서 추출한 DNA를 정제한 것으로 손상된 조직의 회복을 촉진하는 물질로 알려져 있다.
○ 또한 줄기세포 유래 엑소좀은 줄기세포가 가진 재생능력은 그대로 가지고 있으면서 높은 안전성을 가지고 있기 때문에 효율적인 치료제로 주목받고 있다. 여기에 줄기세포 프라이밍 기술을 적용하여 기능강화 엑소좀을 제작하여 재생 효능을 향상하고자 하였다.
* 엑소좀(exosome) : 줄기세포로부터 배출된 세포외소포체로 그 안에는 세포의 재생 및 활성화와 관련된 여러 가지 재생관련 물질을 포함하여 줄기세포 대체 치료제로 각광받고 있다.
* 줄기세포 프라이밍 : 인위적으로 조성한 체내 병변 유사환경에 줄기세포를 노출시켜서 기대되는 약리효과에 최적화된 인자를 얻기 위한 세포의 전처리 과정
○ 신장조직을 모방할 수 있는 미세환경을 조성하기 위해 신장조직의 세포외기질을 활용하였다. 세포외기질은 이식된 신장세포가 지지체에서 잘 자라도록 돕는 성장인자와 세포가 인식할 수 있는 물리적 환경을 제공한다.
* 세포외기질(ECM,extracellular matrix) : 세포와 세포 사이의 틈을 메워 물리적으로 조직을 지지해주고, 세포가 성장하고 분화하기 위한 환경을 조성하는 생체고분자의 집합체이다.
○ 또 생분해성 고분자의 분해산물에 의한 부작용을 줄이기 위해 제산제나 연하제 등에 이용되는 무독성의 수산화마그네슘 입자를 도입하여 지지체 이식 주변 조직의 괴사 및 염증반응을 저해하고자 하였다.
○ 실제 생리활성물질, 세포외기질 및 수산화마그네슘이 함유된 생체활성 지지체를 제조하여 부분 신장 절제술로 신장의 25%만 남은 생쥐에 이식하였다.
○ 그 결과 기존에 개발되었던 생체모방 지지체에 대비하여 생쥐의 신장 조직의 재생은 160% 증가하였고 염증반응 및 신장조직의 섬유화는 1/5로 대폭 감소되었다. 신장 기능인자인 혈액요소질소 및 크레아티닌 수치와 특히 사구체 여과율(GFR) 등의 여러 가지 기능이 정상군의 생쥐와 유사한 수준으로 회복되었다.

3. 기대효과
○ 생체이식용 지지체가 가지는 한정적인 재생 유도능을 생리활성물질의 첨가로 대폭 개선하였으며, 세포외기질 및 수산화마그네슘으로 생분해성 고분자의 낮은 세포적합성 및 부작용을 해결하였다.

○ 조직재생에 활용되는 거의 모든 기존 생체이식형 지지체 응용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 다만 이를 위해서는 무독성 지지체의 제조 및 제조과정의 최적화를 진행해야 하며, 생쥐모델에서 나아가 구체적인 대동물 비임상시험 및 임상시험으로 안전성 및 유효성을 평가해야 할 것이다.

그림 설명

 

(그림1) 재생을 촉진하는 생리활성물질을 포함한 생체활성 지지체
이 연구에서는 재생을 유도할 수 있는 생리활성물질인 PDRN과 기능강화 엑소좀을 함유한 생체활성 지지체를 개발하여, 손상된 신장조직의 재생을 촉진하는 전략을 세웠다. 여기에 신장조직의 환경을 모사하기 위한 세포외기질 및 고분자의 분해산물에 의한 부작용을 감소시키기 위한 방법으로 수산화마그네슘을 첨가하였다. 결론적으로 생체활성 지지체의 생화학적 및 생물리학적 특성의 시너지 효과에 의하여 부분 신장 절제 생쥐모델에서 신장조직 재생을 돕는 것을 확인하였다.

그림설명 및 그림제공 : 차의과학대학교 한동근 교수

 

(그림2) 생체활성 지지체의 제조 모식도
생체고분자 지지체의 세포적합성 및 조직재생유도능을 강화하기 위하여 조직 재생을 자극할 수 있는 생화학적 인자로 PDRN과 기능강화 엑소좀을 첨가 하였고, 생물리학적 인자로는 신장조직에서 얻은 세포외기질을 첨가하였다. 여기에 생체고분자의 분해산물에 의한 부작용을 줄이기 위해 수산화마그네슘을 이용하였다.

그림설명 및 그림제공 : 차의과학대학교 한동근 교수

(그림3) 이식 8주 후 생체활성 지지체의 신장조직 재생유도능 및 기능회복 평가
(A) 생체활성 지지체 이식 생쥐모델에서 신장조직 재생 관련인자 및 항염증 관련인자의 발현이 크게 증가한 반면 섬유화 관련인자의 발현은 크게 감소했다.
(B) 부분 신장절제 생쥐모델에 생리활성물질을 포함한 지지체를 이식한 경우, 기존 지지체에 비해 사구체의 형성이 크게 증가했다. 이는 개발된 생체활성 지지체가 높은 조직재생유도능을 가지고 있음을 의미한다.
(C) 생체활성 지지체를 부분 신장절제 생쥐모델에 이식하고 8주 후 신장 기능을 평가하기 위하여 혈액검사를 수행하였다. 혈액요소질소, 크레아티닌 수치 및 사구체 여과율 모두 정상 생쥐의 수치와 유사한 수준으로 회복되었으며, 이는 신장조직의 성공적인 재생으로 신장의 기능이 정상화되었음을 의미한다.

그림설명 및 그림제공 : 차의과학대학교 한동근 교수

연구 이야기

<작성 : 차의과학대학교 한동근 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

국내 만성 신장질환 환자의 수가 급격히 늘어나고 있다. 만성 신장질환 환자는 신장이식을 받지 못하면 평생 투석치료에 의지해야 한다. 이는 환자의 삶의 질을 떨어트리고, 나아가 예후악화까지 이어지기도 한다. 하지만 건강한 신장의 공여자는 한정적이기 때문에, 이를 대체할 수 있는 치료법의 개발이 시급하다. 따라서 신장조직의 재생을 효과적으로 유도할 수 있는 조직공학적 방법을 연구하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

손상된 신장조직을 재생하기 위한 지지체의 기능을 효과적으로 개선했다. 생분해성 고분자의 단점을 보완하기 위해 수산화마그네슘을 도입하였고, 신장조직의 미세환경을 모사하기 위해 신장조직에서 얻은 세포외기질을 첨가하여 지지체의 생체적합성을 효과적으로 높일 수 있었다. 하지만 기존 지지체는 자체의 조직재생력이 한정적이기 때문에 이를 보완하고자 조직재생을 유도할 수 있는 생리활성물질을 도입하여 재생유도능을 강화한 생체활성 지지체를 제작하였으며, 개발된 지지체에 의하여 부분 신장절제 생쥐모델의 신장 기능이 정상적으로 회복됨을 증명하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

개발된 생체활성 지지체는 손상된 신장조직을 효과적으로 재생하여 신장 기능을 회복시켰다. 따라서 지지체의 이식으로 능동적인 조직재생이 가능할 것으로 기대되어 만성 신장병 및 장기이식 환자의 생존율을 높이는데 큰 도움을 줄 것으로 전망된다. 또한 생체활성 지지체에 도입된 생리활성물질은 신장조직 외에 다양한 조직의 재생을 자극할 수 있어 확장성이 있을 것으로 기대된다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

개발된 생체활성 지지체의 조직재생유도능은 다양한 조직공학적 치료제 개발에 적용하여, 최적화과정을 거쳐 인공장기 재생 및 줄기세포 치료제의 효능을 돕는 데 활용되길 기대한다. 실용화를 위해서는 무독성 지지체의 제조 및 제조과정의 최적화를 진행해야 하며, 생쥐모델에서 나아가 구체적인 대동물 비임상시험 및 임상시험으로 안전성 및 유효성을 평가해야 할 것이다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

이 연구에서는 지지체에 의한 신장조직의 재생효능을 평가했다. 하지만 장기적으로 볼 때 지지체 자체만의 재생유도능은 한정적일 수 있으며, 지지체가 유도할 수 있는 성체 신장의 재생능력은 한계가 있다. 따라서 신장조직의 재생을 유도할 수 있는 줄기세포를 도입하여 조직공학적으로 재생 신장을 개발을 목표로 하고 있다. 즉, 기능이 강화된 지지체와 줄기세포를 활용하여 손상된 신장조직의 기능을 재현할 수 있는 인공신장을 개발해서, 실제 투석 및 신장질환 환자의 치료에 적용될 수 있으면 좋겠다.