[한국대학신문 이원지 기자] 세포 함유 구조체는 재생의학 분야에서 효과적인 조직 재생‧재건을 위해 다양하게 응용되고 있다. 하지만 기존의 바이오프린팅된 세포 함유 구조체는 낮은 수준의 세포간 상호작용으로 인해 노치 신호전달 경로(Notch signaling pathway)의 기능을 잘 수행하지 못하는 한계가 있다.

노치 신호전달 경로(Notch signaling pathway)는 줄기세포의 분열, 생존, 분화ㆍ사멸 등 세포의 운명을 결정하는 데 매우 중요한 역할을 한다.

이에 성균관대학교(총장 신동렬) 바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 연구팀(공동 제1저자 김주연 연구원, 이형진 연구원)은 의과대학 분자세포생물학 교실 류동렬 교수 연구팀(진은주 연구원, 조윤주 연구원, 강배기 연구원)과 함께 원스텝 미세 유체 시스템을 개발했다.

이 시스템은 세포 비드 제작에 사용되는 생체재료의 점성, 온도ㆍ유속 조건을 제어해 균일한 형태의 조직세포‧줄기세포가 함유된 세포 응집체를 비드 형태로 자유자제로 제작할 수 있다. 제작된 세포 비드는 스페로이드 유사 구조체의 특징을 보였다.

세포 스페로이드(Cell spheroid)느 3차원 형태의 세포 집합체로 생체 장기와 유사한 구조‧기능을 갖는다. 조직 공학, 암 연구, 약물 개발, 정밀 의료 등 다양한 재생의학 분야에 활용된다.

연구팀은 바이오프린팅과의 결합을 통해 3차원 형태의 하이드로겔 스트럿 내부에 세포 비드를 함유한 기능성 하이브리드 구조체를 제작했다. 제작 공정에서 세포 비드간 거리 또는 크기를 제어할 수 있는데 이는 결과적으로 세포 간 상호작용을 향상시켜 노치 신호 전달체계의 효율적인 조절이 가능하다. 이를 통해 제작된 다양한 조직세포(근육 및 뼈) 비드를 포함한 하이브리드 구조체는 생체외(In vitro) 평가에서 뛰어난 세포 성장‧분화를 보였다.

나아가 연구팀은 인간 지방유래 줄기 세포 비드가 포함된 하이브리드 구조체를 제작하고 마우스의 근육 결손 모델을 이용한 생체내(In vivo) 평가를 진행했다. 그 결과 구조체 이식 4주 후 하이브리드 구조체는 기존 바이오프린팅된 구조체에 비해 전체적인 근육 볼륨‧무게가 증가했고 조직학‧면역형광 염색 평가에서 향상된 근 섬유 생성‧근 기능을 보였다.

또한 연구팀은 개발된 구조체의 근 재생 효능을 추적하기 위해 실시한 유전자 염기서열(RNA sequencing) 분석에서 줄기세포 비드 포함 하이브리드 구조체는 근육 재생에 유리한 유전자들을 활발히 발현시키는 반면 염증 유발 관련 유전자들은 낮게 발현시키는 유전적 패턴을 보였다. 결과적으로 줄기세포 비드 포함 하리브리드 구조체는 손상된 근육 재생에 매우 탁월한 효과를 보임을 확인할 수 있었다.

김 교수는 “이번 연구 결과는 기존에 바이오프린팅으로 제작된 세포 구조체의 한계점을 획기적으로 극복 가능한 솔루션을 제공해 줄 수 있는 시스템이며 향후 재생의학 분야에서 인체 장기 유사 제작 플랫폼으로 다양하게 활용될 수 있다”고 설명했다.

이번 연구 성과는 한국연구재단의 자연모사혁신기술개발사업, 기초연구사업 및 질병관리청 기초과학연구사업의 지원으로 수행됐다. 나노재료과학분야 국제학술지인 <스몰 (Small, IF = 13.281)>에 지난달 온라인 게재 ‧표지 논문으로 선정됐다. 논문명은 ‘A microfluidic device to fabricate one-step cell bead-laden hydrogel struts for tissue engineering’이다.