바이오인

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상세내용

연 구 결 과  개 요

논문명

Hydrogel Nanospike Patch as a Flexible Anti-Pathogenic Scaffold for Regulating Stem Cell Behavior(ACS Nano)

저  자

김장호(공동 교신저자, 전남대), 정훈의(공동 교신저자, UNIST), 박선호(공동 1저자, 전남대), 박현하(공동 1저자, UNIST), 선가현(UNIST), 권용현(전남대), 성민호(UNIST), 김수진(전남대), 박태은(UNIST), 현훈(전남대), 정연훈(아주대).

1. 연구의 필요성

줄기세포는 다른 세포로 분화할 수 있는 가능성을 가진 세포로 면역반응을 최소화할 수 있으며, 유효한 단백질 인자 배출을 하는 등 치료제로서 다양한 장점을 가지고 있습니다. 그렇기 때문에 줄기세포는 미래 바이오헬스 분야(조직공학 및 재생의학 등)에서 중요한 요소로 여겨지고 있으며 줄기세포를 이용한 다양한 연구가 국내외에서 매우 활발하게 진행되고 있습니다. 즉 줄기세포의 기능을 높이거나 특정 세포로의 분화를 촉진시켜 손상된 조직을 회복시키거나 재생시킬 수 있는 차세대 기술의 확보가 매우 중요합니다. 

줄기세포 기능 향상을 위해 생화학적 물질 사용이 주로 이용되고 있으나, 효과가 미비하며 암 조직 형성의 가능성이 있다고 보고되고 있습니다. 본 연구팀은 생체 내 줄기세포가 나노스케일의 구조적 환경에 노출되어 있음에 착안하여 줄기세포의 기능을 촉진시킬 수 있는 생체재료 기반의 특이적 나노구조체를 개발하고자 하였습니다.

2. 연구내용 

줄기세포에 적당한 구조적 자극을 줄 수 있는 지지체를 제작할 수 있는 나노소재부품 기술을 개발하였습니다. 이를 기반으로 하이드로젤 소재의 나노지압패치를 제작하고 줄기세포의 주요 기능인 분비물(성장인자 등) 및 특정 세포(뼈세포, 연골세포, 지방세포 등)로의 분화를 촉진시킬 수 있음을 확인하였습니다. 

특히, 제작된 나노지압패치에 줄기세포를 결합시킨 줄기세포 패치를 이용하여 두개골이 손상된 쥐의 골 조직 재생을 향상시킬 수 있음을 증명하였습니다. 이는 손상된 조직을 치료할 수 있는 의료기기 및 세포치료제로서의 가능성을 확인한 것입니다. 동시에 박테리아의 바이오필름 형성을 억제함으로써 줄기세포 배양효과를 극대화하였습니다. 즉, 나노바늘구조 지압패치의 적절한 구조적 자극에 따라 줄기세포 기능 및 조직재생을 촉진하는 동시에 박테리아의 바이오필름은 억제할 수 있는 나노소재부품 기술을 제안한 것입니다. 

3. 연구성과/기대효과

줄기세포 기능 향상 및 특정 세포로 분화와 함께 박테리아의 바이오필름을 억제하는 생체소재를 활용한 차세대 임플란트 등의 의료기기 혹은 줄기세포 기반의 바이오의약품 및 조직재생 치료제 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대됩니다.

또한 나노수준의 정밀한 약물 및 유전자 등을 전달할 수 있는 나노바늘구조 기반의 약물 및 유전자 전달 플랫폼으로도 사용이 가능할 것으로 기대하고 있습니다. 나노공학과 바이오 분야의 융합을 통한 생체소재부품 기술 개발에 의의가 있습니다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

줄기세포를 비롯한 다양한 세포는 생체 내에서 복잡한 나노 및 마이크로스케일의 구조적 환경에 노출되어 있고, 이런 미세한 구조에 세포 기능이 민감하게 반응한다고 알려져 있습니다. 이에 착안하여 세포에 적당한 자극을 줄 수 있는 나노구조를 개발하여 줄기세포 기능을 향상시키고자 하였습니다. 지압기와 같은 구조는 피부에 적당한 자극을 주고 혈액순환을 비롯한 긍정적인 효과를 주는 점에서 세포에도 나노지압구조체를 제공한다면 기능향상에 있어 긍정적인 효과를 제공할 수 있을 것이라고 생각하였습니다. 다양한 규격의 나노지압구조체를 이용해 실험을 진행하였고 가정했던 것처럼 세포는 나노구조에 민감하게 반응하였으며 조직재생 등의 최적의 조건을 찾게 되었습니다. 또한 정훈의 교수팀과 김장호 교수팀은 오랜 시간 동안 다양한 공동연구를 진행하고 있는데, 각자 가지고 있는 학문적 배경의 융합을 통하여 자연스럽게 연구가 시작되었습니다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

줄기세포에 적당한 자극을 제공하면서 박테리아의 바이오필름 억제가 동시에 가능한 플랫폼을 제작하기 위하여 다양한 간격의 나노바늘구조체를 제작하였습니다. 이를 위하여 정훈의 교수팀이 가지고 있는 생체모사 미세가공기술과 김장호 교수팀의 생체재료 및 줄기세포기술이 자연스럽게 융합되었습니다. 다양한 논의 끝에 하이드로젤 타입의 나노바늘구조가 제안이 되었습니다. 

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

개발한 기술을 세포 뿐 만 아니라 동물모델을 통해서도 증명을 해야 했습니다. 전남대 의대 현훈 교수님의 바이오 이미징 기술과 아주대 의대 정연훈 교수님의 동물실험 평가기술로 해결하였습니다. 공동연구자의 도움이 있어 본 연구수행이 가능했습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

이번 연구는 줄기세포 배양 및 조직재생에 있어 아주 미세하게 제작된 나노구조자극의 중요성을 보여 줍니다. 나노구조의 바늘을 통한 자극을 세포에 주었을 때, 줄기세포의 기능은 활성화되는 반면 박테리아는 사멸하는 것을 확인할 수 있었습니다. 나노공학과 바이오 분야의 융합을 통하여 기존에는 상상하기 어려웠던 기능을 가지고 있는 생체소재부품 기술을 개발한 것에 의의가 있다고 생각합니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

줄기세포 기능 향상 및 특정 세포로 분화와 함께 박테리아의 바이오필름을 억제하는 생체소재를 활용한 차세대 임플란트 등의 의료기기 혹은 줄기세포 기반의 바이오의약품 및 조직재생 치료제 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대됩니다. 본 기술을 기반으로 앞으로 다양한 질병 치료 및 조직재생에 특화된 연구가 필요하며 이룰 위한 의료기관 및 산업체와의 긴밀한 협업과 함께 실용화를 위한 국가적 지원이 필요합니다. 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

본 연구는 나노바늘구조가 줄기세포와 박테리아에 미치는 영향을 중점적으로 확인하였습니다. 이러한 나노구조체를 이용해 약물전달 플랫폼으로서의 가능성도 확인하였는데, 이 점을 좀 더 초점을 맞춰 연구를 진행한다면 아주 미세한 곳에도 약물을 전달할 수 있는 새로운 개념의 약물전달 플랫폼 개발이 가능하지 않을까 싶습니다. 

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

줄기세포 실험은 많은 시간과 비용이 요구됩니다. 본 연구를 시작할 때는 동물실험을 하지 않는 방향으로 진행하였지만, 논문 투고 후 동물실험으로 본 기술의 효과를 반드시 증명해야 한다는 리뷰어의 코멘트가 있었습니다. 동물실험을 위하여 다른 공동연구팀들이 긴밀하게 도움을 주어서 다행히 본 논문을 잘 마무리 할 수 있었습니다. 학문적 융합뿐만 아니라 관계의 중요성을 다시금 느낄 수 있었습니다.

...................(계속)

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