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각종 혈관질환 줄기세포 치료제, 실시간 관찰 통해 효능 예측한다

  • 등록일 : 20-11-22
  • 테라그노시스연구센터 윤홍열 박사팀
  • 조회수 : 11616
- 혈관으로 분화하는 줄기세포의 이식 초기 분포 영상을 통해 치료 효능 예측
- 혈관 재생을 위한 세포치료제 분야 연구에 응용

최근 식습관의 변화와 흡연, 음주로 인해 비만, 당뇨, 고혈압 등의 증가로 발끝이 썩어들어가는 중증하지혈과 같은 허혈성 질환의 고위험군 수가 증가하고 있다. 이러한 허혈성 질환을 치료하기 위해 새로운 혈관을 형성하는 줄기세포인 ‘혈관내피 전구세포’에 관한 연구가 활발하다. 혈관내피 전구세포는 허혈성 부위 등 혈관형성이 필요한 부위로 이동한 후 혈관의 내피세포로 분화하거나 혈관의 형성을 돕는 인자를 방출하여 혈관재생을 유도하기 때문에 허혈성 질환을 비롯한 혈관과 관련된 질환의 세포치료제로 개발할 수 있다.

그러나 혈관 재생능력이 뛰어난 혈관내피 전구세포를 혈관재생을 위한 세포치료제로 사용하더라도 치료 결과는 체내 이식된 세포의 생존, 치료 부위로의 이동과 같은 다양한 변수에 의해 다르게 나타나며 정확한 점이 있어 허혈성 질환의 치료제는 아직 상용화되지 못하고 임상단계에 머물러 있는 상황이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 테라그노시스연구센터 김광명 박사팀이 (주)T&R Biofab 문성환 박사팀과의 공동연구를 통해 혈관내피 전구세포의 체내 이식 후 초기 분포 및 이동을 형광 영상으로 추적하여 초기 이식된 혈관내피 전구세포의 분포에 따른 치료 효능을 예측할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

KIST 김광명 박사팀은 형광물질을 혈관내피 전구세포 표면에 결합시킨 후 형광분자단층촬영을 통해 식별 가능하게 했다. 그 후 중증하지허혈질환 쥐의 허벅다리에 이식된 세포를 28일 동안 영상을 통해 추적하여 세포의 체내 움직임을 확인하고, 레이저 측정을 통해 혈류가 복원되는 과정을 추적, 관찰하였다. 그 결과 혈관내피 전구세포가 허혈성 질환이 발생한 조직으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 세포치료제 이식 초기에 혈관내피 전구세포를 촬영한 영상을 분석한 결과, 두 가지 형태로 주입된 것을 확인할 수 있었다. 하나는 응축되어 있는 ‘둥근 모양’, 다른 하나는 널리 퍼진 ‘확장된 모양’이었다. 이 두 가지 형태로 실험군을 분류하여 치료 효능을 관찰한 결과 처음 이식된 곳에 잘 응축되어 있던 ‘둥근 모양’의 실험군에서 세포가 더 잘 이동하고 치료 효능이 좋았음을 확인했다. 이를 통해 치료 초기에 치료제가 응축된 ‘둥근 모양’으로 형성되어야 앞으로의 치료 효능이 좋으리라는 것을 예측할 수 있었다.

본 연구를 주도한 KIST 김광명 박사는 “초기에 이식된 세포치료제의 형태 및 체내 초기 변화를 빠르고 정확하게 모니터링하는 기술은 이식된 혈관내피 전구세포의 허혈성 질환 치료효능을 초기에 예측할 수 있도록 하여 향후 허혈성 질환 치료를 위한 세포치료제 개발 분야에 활용될 것”으로 기대하고 있다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 생체재료 분야 국제 저널인 ‘Biomaterials’ (IF: 10.317, JCR 분야 상위 1.316%) 최신 호에 게재되었다.

* (논문명) Predicting in vivo therapeutic efficacy of bioorthogonally labeled endothelial progenitor cells in hind limb ischemia models via non-invasive fluorescence molecular tomography
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 임승호 박사과정
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 윤홍열 선임연구원
- (교신저자) T&R Biofab 문성환 박사
- (교신저자) 한국과학기술연구원 김광명 책임연구원

<그림설명>


[그림 1] 생물직교성 클릭화학을 이용한 혈관내피 전구세포의 형광 표지 및 하지허혈 쥐 모델에 이식 후 모니터링 모식도

[그림 2] FMT로 관찰한 이식된 혈관내피 전구세포의 시간에 따른 체내 이동 이미지
세포 이식 직후의 형광의 분포가 응축된 모양일 경우 형광으로 표지된 혈관내피 전구세포는 시간에 따라 배쪽 (혈관 폐색 부위)으로 이동하는 것을 볼 수 있음. 그러나 확장된 모양으로 이식된 혈관내피 전구세포는 배쪽으로의 이동 뿐만아니라 주변으로 확산되는 경향을 보이며, 28일째 형광이 관찰되지 않음

[그림 3] 혈관내피 전구세포 이식후 하지허혈 쥐 모델의 혈류 재생 및 사지괴사 모니터링

세포 주입 직후 응축된 모양으로 혈관내피 전구세포가 이식된 쥐에서 더 높은 혈류 재생 유도 및 사지 괴사 방지가 일어나는 것을 확인함