- 콜라겐 마이크로젤 신소재 기반 차세대 줄기세포 치료제 개발

- 우수한 생체적합성 및 세포 생존율로 중증하지허혈 치료 가능성 높여

중증하지허혈은 다리 부분에 혈액을 공급하는 주요 혈관이 막혀 발생하는 질환으로 말초동맥에 동맥경화증이 점차 심해짐에 따라 혈액 흐름이 서서히 줄어드는 질환이다. 이는 말초동맥 질환 중 심각한 증상으로 하지동맥의 점진적 폐쇄를 유발해 다리 조직을 괴사시켜 절단이 불가피한 경우에 이르기도 한다. 치료법으로 스텐트 삽입과 같은 혈관성형술이나 혈전 방지 약물을 사용하고 있지만, 혈관 손상이나 혈전 재발의 위험이 있어 줄기세포를 활용한 치료법 개발에 관한 관심이 높다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 생체재료연구센터 김상헌 박사 연구팀은 신소재 마이크로젤을 이용한 줄기세포의 자기조립화 플랫폼 기술을 통해 3차원 줄기세포 중증하지허혈 치료제를 개발했다고 밝혔다. 세포 친화적 신소재인 콜라겐 마이크로젤을 이용해 세포만으로 이루어진 3차원 줄기세포 치료제 대비 체내 이식이 용이하고 세포 생존율도 높였다.

줄기세포 치료제는 높은 조직 재생 능력을 지니고 있지만, 줄기세포를 단독으로 이식할 때 유발되는 손상 부위의 저산소증, 면역반응 등으로 인해 세포 생존율이 저하돼 원하는 치료 효과를 얻을 수 없게 된다. 따라서 줄기세포 치료제의 세포 생존율을 높이기 위해서는 생분해성 고분자나 세포외 기질(Extracellular Matrix)의 성분을 지지체로 사용해 줄기세포를 전달하는 소재 개발이 필요했다.

연구팀은 콜라겐 하이드로젤을 마이크로 단위의 크기로 가공해 체내 이식이 쉽고 균일한 세포분포도를 갖는 다공성의 3차원 조직체를 만들었다. 세포외 기질의 구성성분인 콜라겐은 생체적합성과 세포 활성이 우수해 마이크로젤의 입자와 줄기세포 내 콜라겐 수용체 간 상호작용을 촉진함으로써 세포의 자기조립을 유도할 수 있다. 또한, 마이크로젤 입자 사이의 간격은 3차원 조직체의 기공률을 높여 약물 전달효율과 세포 생존율을 향상한다.

연구팀이 개발한 마이크로젤-줄기세포 조직체는 세포만으로 구성된 조직체 대비 더 많은 혈관신생인자를 발현해 높은 혈관 재생 능력을 보였다. 중증하지허혈을 가진 실험용 쥐의 근육조직에 마이크로젤-줄기세포 조직체를 주입한 결과, 세포 단독 조직체 대비 혈류 흐름은 약 40% 증가했고 하지 근육 및 혈관 재생 비율은 60% 높아져 혈류량과 허혈 부위의 괴사를 예방하는 효과를 확인할 수 있었다.

이번에 개발된 줄기세포 치료제는 탁월한 혈관 신생 효과를 보여 중증하지허혈 질환으로 절단 이외에는 다른 치료 방법이 제한적이었던 환자에게 새로운 대안으로 제공될 수 있을 것으로 기대된다. 그뿐만 아니라 혈관신생은 다양한 조직 재생 과정에서 필수적인 요소이기 때문에 말초동맥질환과 유사한 기전을 가진 다른 질환으로도 확장 적용할 수 있다.

KIST 김상헌 박사는 “본 연구에서 개발된 콜라겐 마이크로젤은 생체적합성이 우수해 임상 등 실용화 가능성이 매우 높은 바이오 신소재”라며 “의료현장에서 요구하는 투여 방법에 대한 기술 개발, 그리고 치료제의 명확한 작용기전 규명 및 타겟인자 발굴 등 후속 연구를 추진할 계획이다”라고 밝혔다.

[그림 1] 콜라겐마이크로젤-세포 자기조립화 줄기세포 치료제의 개념

콜라겐과 히알루론산의 다이온복합체 형성 기전을 활용한 콜라겐 마이크로젤 신소재 가공 기술과 이를 이용한 마이크로젤-세포 자기조립화 줄기세포치료제의 개발을 도모하였다. 이 자기조립화 줄기세포치료제는 미세다공성 구조를 가지고 있어, 매스 트랜스퍼가 향상되고 장기간의 세포 생존이 용이해졌고, 혈관 신생인자의 발현이 향상되었다. 이러한 자기조립화 줄기세포치료제의 특성은 중증하지허혈 치료를 위한 차세대 줄기세포치료제로서 높은 잠재력을 가지고 있다.

[그림 3] 마이크로젤-세포 자기조립화 줄기세포치료제의 효능 검증

생쥐 중증하지허혈 모델에서 마이크로젤-세포 자기조립화 줄기세포치료제가 대조군, 마이크로젤 단독, 마이크로젤-세포 단순혼합, 세포단독 응집체 대비 더욱 높은 혈류 흐름과 사지 보존 효과를 보여주고 있다. 마이크로젤-세포 자기조립화 줄기세포치료제의 손상된 하지에서 높은 치료 효과는 이식 부위에서의 높은 세포 생존율과 혈관 신생 촉진 등에 기인한다. 

본 연구는 범부처재생의료기술개발사업단(단장 조인호)의 지원을 받아 수행됐다(22C0620L1). 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘Bioactive Materials’ (IF 18.9, JCR 분야 상위 1.1%) 최신 호에 게재됐다.

* 논문명 : A micro-fragmented collagen gel as a cell-assembling platform for critical limb ischemia repair