바이오인

핵심내용

세계 최초로 나노 일렉트로닉스 기술을 활용한 혁신적인 생체 내 세포 운명 전환 기술 개발
 - 파킨슨 병 등 퇴행성 뇌질환의 줄기세포 기반 세포 치료제 실용화 기대   -

□ 김종필 교수(동국대학교) 연구팀이 세계 최초로 나노 일렉트로닉스라는 개념의 전자기화 된 금 나노입자를 활용한 신개념 ‘세포 직접교차분화 리프로그래밍’ 기술을 개발하여 혁신적 생체 내 세포 운명 전환 기술을 확립하였다고 미래창조과학부(장관 유영민)는 밝혔다.

□ ‘세포 직접교차분화* 리프로그래밍’은 세포의 운명을 자유자재로 조정하여 특정 세포를 타겟(target) 세포로 전환을 유도하는 기술로 현재 재생의학에서 기존 줄기세포치료제의 한계**를 극복할 수 있는 차세대 기술로 주목 받고 있는 분야이다.
    * 직접 교차 분화 (Direct lineage reprogramming) : 분화가 끝난 세포에서 전혀 다른 세포로 세포 운명 전환을 유도하는 과정
   ** 기존 성체, 역분화, 배아 줄기세포 치료제는 세포분화의 제한성, 안전성, 고비용 등의 문제로 실용화에 어려움을 겪고 있음

□  연구팀은 나노 일렉트로닉스라는 개념의 전자기화 된 금 나노입자를 활용하여 체외(in vitro)에서 이미 분화를 마친 마우스 및 사람의 피부 세포를 신경세포로 전환하는데 성공하였으며, 이 기술을 파킨슨 질환 모델 마우스에 적용하여 생체 내(in vivo)에서 도파민성 신경 세포를 생산함으로써 파킨슨 질환의 치료 효과를 확인 하였다.
 ㅇ 이번 연구를 통해 바이오·나노·전자공학이 융합된 새로운 줄기세포 분야를 개척하였으며, 기존 기술을 뛰어넘는 줄기세포 세포치료 기술 확보의 가능성을 제시하였다.

□  김종필 교수는 이번 연구 결과로 “파킨슨 병 뿐만 아니라 다양한 퇴행성 뇌신경 질환에 대한 줄기세포 기반 세포 치료제의 실용화 가능성이 높아졌다“며 세포 전환기술 및 리프로그래밍 연구에서 혁신적 성과로 세계를 선도해나가겠다는 포부를 밝혔다.

□  이 연구는 미래창조과학부 바이오‧의료기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다.
ㅇ 동국대 의생명공학과 김종필 교수와 유준상 연구원의 이번 연구 결과는 생명과학분야의 권위 있는 학술지인 네이쳐 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF=38.986)에 7월 18일자에 게재되었다.
    - 논문명 : Electromagnetized gold nanoparticles mediate direct lineage reprogramming into induced dopamine neurons in vivo for Parkinson’s disease therapy
    - 저자정보 : 김종필(교신, 동국대 의생명공학과 교수), 유준상(제1저자, 박사과정)

□ 논문의 주요내용은 다음과 같다.

1. 연구의 필요성

 ○ 현재 줄기세포 분야는 성체줄기세포, 역분화줄기세포 및 배아줄기세포 등을 활용한 줄기세포치료제 개발이 활발하나, 세포 분화의 제한성, 안전성 및 제작 시간, 노력, 비용 등의 문제로 상용화에 어려움을 겪고 있다.

 ○ 최근 이러한 어려움을 극복하기 위해 세포의 운명을 자유자재로 바꾸어 원하는 세포를 만들어내는 ‘세포 직접교차분화 리프로그래밍’ 기술을 세포치료에 활용하는 방법이 모색되고 있다. 특히, 직접교차 리프로그래밍 기술을 활용하여 원하는 세포로의 전환을 생체 내(in vivo)에서 유도하는 기술은 이전 줄기세포치료에서 발생하는 여러 문제점을 극복할 수 있다는 점에서 재생의학에서 주목받고 있다.

 ○ 세포 직접교차 리프로그래밍을 포함한 줄기세포 연구에서 필요한 세포를 효율적으로 제작할 수 있는 혁신적 세포전환 기술 개발의 필요성이 대두되고 있다.

2. 연구 방법

 ○ 본 연구에서는 나노 일렉트로닉스와 바이오가 융합된 신개념의 세포전환 기술을 개발, 이를 직접교차분화 리프로그래밍에 적용하여 혁신적인 세포운명전환 기술을 개발하였다.

3. 연구 성과

 ○ 본 연구팀은 차세대 줄기세포 리프로그래밍 기술인 직접교차분화를 나노 일렉트로닉스와 융합함으로써 줄기세포 분야에서 바이오·나노 융합 연구의 장을 열었으며, 뇌신경 세포로의 운명 전환 기전을 밝힘으로써 생체내 세포 전환 리프로그래밍을 활용한 뇌신경 질환 치료 가능성을 보여주었다.

상세내용

연구결과 개요

1. 연구배경

 ○ 그간 의료기술의 엄청난 발전에도 불구하고 난치병, 치명적인 부상, 장애 등의 문제를 해결하기에 현재 의료기술은 여전히 어려움이 많다. 이러한 난제를 해결할 수 있는 새로운 수단으로 줄기세포에 대한 관심이 높아지고 있으며, 성체줄기세포로부터 역분화, 배아줄기세포에 이르기까지 줄기세포에 대한 연구는 지속적으로 이루어지고 있었다.

 ○ 성체줄기세포, 배아 및 역분화줄기세포 분야에서도 이러한 줄기세포를 세포치료제로 사용하기 위해 혁신적 세포 전환기술 개발은 상당히 중요하다.

 ○ 특히 직접교차분화 리프로그래밍 기술은 배아 및 역분화 줄기세포 기술을 대체할 수 있는 새로운 기술로 주목받고 있으나, 이를 재생의학에 활용하기 위해서는 혁신적 세포운명 전환 원천 기술 개발이 절실히 필요하다.

 ○ 본 연구팀은 나노 일렉트로닉스라는 나노 전자기학 바이오를 융합한 신개념의 세포전환기술을 고안하여 직접교차분화 리프로그래밍 기술에 적용하고자 하였다.

2. 연구내용

○ 세포 전환 유도를 위한 나노 일렉트로닉스 기반 융합 기술 확립
-  본 연구팀은 세계 최초로 순간적으로 전자기화 된  골드 나노입자를 이용하여 세포 운명 전환이 유도되는 현상을 보였다. 특정 주파수의 전자기파를 마우스 및 인간의 피부세포와 접해 있는 골드나노소재에 처리하였을 때 높은 효율로 신경세포로 전환이 유도되었으며, 이를 마우스에서의 직접교차분화 리프로그래밍에 적용하였을 때 타겟 도파민 신경세포로 상당히 효율적으로 세포전환이 유도되었다.
 
○ 나노 일렉트로닉스 기반 효율적 세포전환 유도 기전 분석
- 본 연구진은 chip-seq 분석을 통해 나노 일렉트로닉스 기반 세포 전환 유도기술에 의해 히스톤 다량체(영문)의 아세틸화(영문)에 관여하는 유전자 Brd2가 과 발현되고 아세틸화된 히스톤에 의해 세포전환이 유도된다는 것을 확인하였다. 또한, 히스톤 다량체의 아세틸화를 저해하는 케미컬 Aracardic acid를 세포에 처리하거나 Brd2의 발현을 억제하였을 때 동 기술의 효과가 떨어지는 것을 확인하였다.

 ○ 나노 일렉트로닉스 기반 효율적 생체내 세포 직접교차분화 리프로그래밍을 통한 파킨슨병 치료가능성 검증
-  본 연구진은 나노 일렉트로닉스 기반 세포 전환 기술이 생체 내에서 작동할 수 있다는 점에 착안하여 생체 내에서 세포 직접교차분화 리프로그래밍을 유도하였다. 먼저 유전자 추적법을 통해 생체 내에서 별 아교 세포(astrocyte)가 도파민성 신경세포로 세포 전환되어 직접 교차분화 리프로그래밍 되는 과정을 증명했다. 뿐만 아니라 파킨슨 질환 모델 마우스에서 생체 내 세포 직접교차분화 리프로그래밍 기술의 파킨슨 질환 치료 효과를 확인하여, 세포 직접교차분화 리프로그래밍 기술이 퇴행성 뇌질환 치료에 활용 될 수 있는 가능성을 보였다.

3. 기대효과

○ 본 연구는 나노 일렉트로닉스를 이용한 유도 신경세포로의 새로운 세포 운명 전환 연구를 통해 직접교차분화 리프로그래밍 연구에 있어서 혁신적 방식을 개발하였으며, 파킨슨병의 새로운 치료법의 개발 가능성을 보여주었다. 본 연구 결과는 파킨슨 질환 뿐 아니라 여러 퇴행성 뇌신경 질환 치료에 효과적으로 적용될 수 있을 것이다.

○ 본 연구를 통해 나노 일렉트로닉스와 바이오 융합기술이 줄기세포 치료에 활용될 수 있다는 점을 증명하여 줄기세포 연구에 새로운 흐름을 제시하였으며 신 분야의 개척이 가능할 것으로 기대된다. 또한 본 연구를 통한 새로운 세포전환 기전의 발견은 향후 줄기세포  연구를 세계적으로 선도해 나가는 밑거름이 될 것으로 기대한다. 

연구이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

본 연구실은 줄기세포 분야 중에서 세포 리프로그래밍 분야를 전문적으로 연구해 온 연구실로 관련분야에서 최근에도 여러 좋은 product를 많이 내오고 있습니다. 특별히 본 연구를 시작하기 위해 저는 리프로그래밍 연구에 핵심부분인 세포 운명 전환 기전연구를 진행해 오는 가운데, 이전에 존재하는 않는 혁신적 방법으로 개발해 보자는 취지로 연구를 시작하게 되었습니다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

본 연구에 있어 가장 중요한 전개과정은 바이오 나노 및 전자공학이 융합된 바이오용합 나노 일렉트로닉스라는 기술이 세포 운명 전환에 영향을 미치는 것을 확인하는 과정이었습니다. 논문에서는 비교적 간단히 제시 되었으나, 실제 연구를 전개하는 과정에서는 몇 년에 걸친 실패를 통해서 얻어진 결과입니다. 또한 이러한 기술을 생체내 세포 운명 전환에도 적용하여, 본 기술이 재생의학에 활용될 수 있다는 점을 증명해 보였습니다.

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

앞서서 언급했듯이 기존에 존재하지 않는 기술을 도입 및 활용하여 재생의학에 활용될 수 있다는 점을 증명해 보이기 위해 몇 년에 걸쳐서 수 없이 많은 조건들을 이용하여 screening 과정을 거쳤고, 최적을 조건을 찾는데 까지 많은 어려움을 겪었습니다. 또한 논문이 완성되어질 무렵, 논문의 리뷰는 약 1년 정도 걸렸는데, 경쟁 그룹들에서 비슷한 컨셉의 논문들이 나온 경우도 있어서, 마지막까지 조마조마 하면서 리뷰 과정를 마쳤습니다. 기존 논문들과의 차별화를 두기위해서 계속적으로 추가 연구를 수행하여, 논문의 quality를 높였으며, 교수님을 포함한 연구원들과의 지속적인 토론과 분석을 통하여 상당히 까다로웠던 리뷰과정의 어려운 점을 해결할 수 있었습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 성과는 기존에 존재하지 않았던 나노 일렉트로닉스라는 바이오 융합기반 새로운 세포 운명 전환 기술을 개발한 것으로 세계 최초의 기술입니다. 또한 이러한 전자기화 된 금 나노입자를 활용하여 세포 전환을 유도할 때, histone 에피지네딕에 영향을 주어 세포 전환이 유도된다는 신개념의 세포 전환 메커니즘을 밝혀낸 것도 역시 새로운 성과입니다. 마지막으로 그러한 기술을 활용하여 생체 내 세포 전환을 유도하여 파킨스 병과 같은 퇴행성 뇌질환에 활용될 수 있다는 점을 보인 것도 역시 창의적 성과로 볼 수 있습니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

이번 연구를 통해 세포 운명 전환 기술에 대한 새로운 고찰을 할 수 있었으며, 이러한 발견을 통해 특별히 미래에 본 연구를 뛰어넘는 보다 혁신적인 세포 전환 기술 개발을 통해, 뇌질환이외에 다양한 퇴행성 질환의 치료에도 한걸음 더 나아갈 수 있는 기술을 개발하고자 합니다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

이번 연구를 시작하고 마무리하기까지 거의 5년의 오랜 시간이 소요되었습니다. 앞서 언급하였듯이, 처음 세포 전환 기술의 확립을 위해 2년여의 상당한 시간을 들였습니다. 또한 처음 해보는 동물의 행동실험 및 여러 가지 테크닉을 숙달하기까지 오랜 시간이 걸렸고, 반복실험의 연속이었습니다. 그러나 주위의 연구원들과의 잦은 논의를 통해 이러한 문제들을 해결할 수 있었습니다.

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