주계일 교수 연구팀, 세포 부착력 향상시킨 나노섬유 지지체 개발
레반 기반 코어-쉘 나노섬유로 줄기세포 증식 및 분화 촉진 입증
줄기세포 기반 조직재생 치료에 새 지평 열어
화공신소재공학과 주계일 교수 연구팀이 세포 부착력과 생체접착력을 크게 향상시킨 차세대 나노섬유 지지체를 개발했다. 이번 연구는 천연 고분자인 레반(levan)과 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate)를 활용한 고기능성 스캐폴드 개발을 통해 줄기세포 기반 조직재생 치료에 새 지평을 열었다는 점에서 큰 주목을 받고 있다.
줄기세포를 활용한 조직재생 치료는 기존의 자가이식이나 인공 관절 수술에 비해 침습성이 낮고 손상 부위를 근본적으로 재건할 수 있다는 점에서 최근 각광받는 차세대 의학기술이다. 최근 고령화와 만성질환의 증가로 관절, 연골, 뼈 등의 조직 손상이 빈번해지면서 줄기세포 기반의 재생의학에 대한 수요가 빠르게 확대되고 있다. 이 줄기세포가 손상 부위에 이식된 뒤 안정적으로 생착되기 위해서는 세포의 부착과 증식을 돕는 3차원 구조의 지지체 ‘스캐폴드(scaffold)’의 역할이 매우 중요하다. 하지만 지금까지 널리 사용되어 온 콜라겐, 키토산, 알지네이트 등 천연 고분자 기반 스캐폴드는 구조적 강도가 낮고, 장기 배양 시 안정성이나 세포 접착 유지력 등의 측면에서 한계를 보여 왔다. 이러한 제약으로 인해 줄기세포 치료 효과를 극대화할 수 있는 고기능성 스캐폴드의 개발이 지속적으로 요구되어 왔다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 생체적합성과 접착성이 우수한 천연 다당류 ‘레반’을 나노섬유의 외층(shell)으로 사용하고, 물리적 안정성이 뛰어난 셀룰로오스 아세테이트를 내층(core)으로 적용한 코어–쉘 구조의 복합 나노섬유(csCAL)를 새롭게 설계했다. 또한 이중노즐을 활용한 동축 전기방사(coaxial electrospinning) 기술을 적용해 고르게 정렬된 섬유구조를 구현하는 데 성공했으며, 나노섬유 외층에 위치한 레반이 혈청 내 단백질과 세포막과의 흡착을 촉진해 세포의 생존과 부착 환경을 효과적으로 조성하는 것을 확인했다.
실험 결과, 코어-쉘 나노섬유는 기존 스캐폴드에 비해 세포 부착과 증식 모두에서 향상된 결과를 나타냈으며, 뼈와 연골 형성을 유도하는 줄기세포 분화 지표에서도 뛰어난 효과를 나타냈다. 나아가 이 소재는 생분해성과 생체적합성 또한 확보되어, 줄기세포 기반 조직재생 치료에 적용 가능한 차세대 스캐폴드 플랫폼으로서의 가능성을 입증했다.
연구 책임자인 주계일 교수는 “이번 연구는 생체환경을 모사한 3D 나노섬유 기반 플랫폼을 통해 줄기세포의 활발한 생존과 분화를 유도함으로써, 조직재생 분야에서의 실질적인 응용 가능성을 보여준 사례”라며 “향후 골조직이나 연골조직 재생에 특화된 세포전달 시스템으로 발전시켜 차세대 재생의료 기술 개발에 기여하고자 한다”고 밝혔다.
(왼쪽부터) 주계일 교수, 지은현 박사과정생, 김예솔 석사졸업생, 이은지 통합과정생
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 기초연구실사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었으며, 본교 주계일 교수(교신저자), 지은현 박사과정생(제1저자), 김예솔 석사 졸업생, 이은지 통합과정생과 함께 영남대학교 서정현 교수(공동교신저자), 송영훈 박사가 연구자로 참여했다. 연구 성과는 고분자 및 바이오소재 분야의 세계적 학술지인 <Carbohydrate Polymers>에 최근 게재됐다.