골세포 분화 조절 실마리 '나노코일', 실시간 원격 분화 제어

줄기세포는 주변의 환경을 감지해 분화자극이 가해지면 그에 상응하는 뼈, 지방, 근육, 심근, 혈관, 연골 등 다양한 기관 조직 세포로 분화할 수 있다. 최근에는 이러한 특성을 이용해 재생의학 및 공학 분야에서 손상된 장기, 조직을 재생시키기 위해 줄기세포가 많이 연구되고 있다.

줄기세포의 재생능력을 효과적으로 제어하기 위한 방법으로 생체 내에서의 리간드 제시를 이용한 기술들이 널리 이용되고 있으며, 기존의 마이크로 규모 인테그린 리간드 펩티드(RGD)가 숙주 줄기 세포의 부착은 조절하지만 줄기세포의 분화를 조정하는데 한계가 있다.

콜라겐 같은 세포접착성 세포외기질 단백질의 가역적인 신장 및 수축 작용은 세포 골격 액틴과 초점 접착 복합체의 조직을 효과적으로 자극할 수 있다고 알려졌으나, 이를 나노소재로 구현하는 연구는 보고되지 않았다.

강희민, 김영근 교수(고려대학교 신소재공학부) 공동 연구팀이 임플란트 소재 표면에서 실시간 원격제어로 생체 내 세포의 부착과 분화를 조절할 수 있는 자성 나노코일 시스템을 개발했다.

과학기술정보통신부에 따르면, 줄기세포를 특정 환경이나 신호에 노출해 뼈, 지방, 근육, 심근, 혈관, 연골 등 원하는 조직으로 분화를 유도하려는 연구가 인공장기나 세포치료 등을 위한 재생의학 분야에서 활발하다.

골다공증, 골연화증, 퇴행성 골질환 등의 치료를 도울 수 있는 단단한 임플란트 구조물의 표면에서 줄기세포를 자극하려는 연구가 이뤄지고 있지만 실시간 원격으로 분화를 제어하는데 어려움이 있었다. 가역적 제어라는 측면에서도 숙제가 남아 있었다.

연구진은 마치 용수철처럼 자기장에 의해 길이가 늘어났다가(원래 길이의 126%) 자기장 인가를 멈추면 다시 원래 길이로 돌아오는 1μm 남짓(두께 70nm)한 나선형 합금 나노코일을 제작했다.

나노코일은 생체 내외에서 자기장을 이용해 나노미터 수준으로 정밀하게 조절할 수 있으며, 세포 내부로 함입되거나 부러지지 않는 기계적 강도를 갖고 있어, 생체 내에서도 가역적으로 신축할 수 있는 특성을 갖는다. 자기장에 반응하는 나노코일 표면에 세포와 결합할 수 있는 RGD 리간드를 코팅하고 자기장으로 리간드의 간격을 가역적으로 실시간 원격 조절해 줄기세포의 부착 및 분화를 조절하는 시스템을 제안했다.

실제 쥐에 이식한 이후, 외부에서 자기장을 인가해 생체 내 삽입된 나노코일을 늘어나게 한 경우 줄기세포의 부착이 촉진됐고 줄기세포의 골분화도 촉진된 것을 확인했다. 원격으로 원하는 시점에 줄기세포 분화를 위한 자극을 전달할 수 있는 나노코일 시스템의 구동을 동물모델에서 검증함으로써 향후 생체 내 줄기세포 정밀제어 연구의 단초가 될 것으로 기대된다.

한편, 과학기술정보통신부 개인기초연구(중견연구 및 신진연구 등)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)에 3일 00시(한국시간) 게재됐다.