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BioWave  Vol. 19 No. 9 등록 2017.09.06 
서울대학교 생체모방 재료 및 줄기세포 공학 연구실 황석연 교수
연구실 홈페이지
실험실 소개  
본 생체 모방 재료 및 줄기세포 공학 연구실은 생명공학을 기반으로, 재료과학, 생화학, 세포생물학의 지식을 접목시켜 조직공학 발전을 위한 연구를 진행하고 있다 <그림 1>. 조직공학은 생명과학과 의학 및 공학이 연계된 융합분야로 의학발달과 함께 조직이나 장기의 치료제 및 대체재의 수요가 급증함에 따라 그 중요성이 부각되고 있는 분야이다. 현재 조직공학 분야에서는 줄기세포를 이용한 근육/연골/골 조직 재생과 관련한 많은 연구가 진행되고 있지만 이를 임상에 적용하기는 아직 어려운 실정이다.

따라서 본 연구진은 다양한 생체 모방 재료를 이용하여 조직공학에 필요한 비바이러스성 전달체 제작, 손상된 장기 혹은 조직 복원을 위한 지지체(Scaffold) 제작, 혈관 재생을 위한 약물 전달 시스템 개발 및 세포 표면 개질을 통한 세포 이식 효율성 증대와 관련된 다양한 연구를 진행하고 있다. 이를 통해 근육/연골/골 조직 재생·치료에 적용가능한 기술을 개발함으로써 임상실험과 실용화에 기여할 것으로 기대하고 있다.

Biomimetic Materials and Stem Cell Engineering 연구실의 연구방향 모식도

연구내용  
1. 비바이러스성 전달체(non-viral vector)를 이용한 세포 전환 연구
유전자를 세포 내로 전달하는 데에 있어 바이러스를 이용한 전달 방식은 높은 효율을 갖는 반면, DNA의 삽입 과정에서 세포 독성을 나타내거나 유전자 발현의 지속성과 안정성이 떨어진다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 여러 가지 비바이러스성 전달체(non-viral vector)를 이용하여 유전자를 전달하는 방법이 각광받고 있다.

본 연구진은 다양한 조합 및 구조를 가지고 있는 고분자 라이브러리로부터 양이온을 갖는 생분해성 고분자를 선정하여 낮은 세포독성 및 높은 유전자 전달 효율을 가지는 것을 확인하였고, 이를 기반으로 연골세포에서 근육세포로의 세포전환 기법을 확립하였다 <그림2>.

비바이러스성 전달체(non-viral vector)를 이용한 세포 전환 연구

2. 단백질 기반 생체 내 골 특이적 전달 시스템을 이용한 골다공증 치료용 신약 개발 연구
골다공증 환자는 연평균 13%씩 증가하고 있는 것으로 나타나며, 2026년 국내 고령인구 비율이 20%를 넘어 초 고령 사회로 진입하면서 골다공증 치료제의 수요는 꾸준히 증가할 것으로 전망 된다. 이에 대한 치료제로는 현재 상용화되어있는 비스 포스포네이트 약품이 있으나 적당량의 복용이 넘거나 장기간 복용 시 뼈를 약하게 하며 소화관에 문제를 일으킬 수 있다.

따라서 근본적으로 골다공증의 증상을 완화하며 안전성 측면에서 개선된 새로운 치료 기법이 필요하다. 본 연구진은 재조합 단백질을 이용한 세포전환 방법으로 새로운 방식의 골다공증 치료법을 개발하고 있다. 혈관내피세포 혹은 지방세포를 조골세포로 전환할 수 있는 재조합 단백질을 생산하여 생체 내에서 골 조직에 특이적으로 전달하는 것이 연구의 핵심이다. 재조합 단백질을 골 조직에 특이적으로 결합하는 저분자 물질과 결합시킨 복합체를 디자인하여 이를 골 조직으로 전달한다. 최종적으로는 골 조직 주변의 세포를 조골세포로 전환하여 뼈의 재생을 활발하게 하는 것이 목표이며 이를 골다공증 치료제로 적용하는 기술을 확립하여 효능 및 효과를 확인하고자 한다 <그림 3>.

단백질 기반 생체 내 골 특이적 전달 시스템을 이용한 골다공증 치료용 신약 개발 연구

3. 종이접기(origami)기법을 이용한 조직 공학 기술 연구
현재 셍체 재료를 이용한 손상된 장기 혹은 조직을 복원하려 하는 시도가 많이 이루어지고 있다. 살아있는 조직과 유사한 역할을 하기 위해서는 삼차원 구조의 지지체, 즉 실제 조직과 비슷한 모양을 모사하는 것이 중요하다. 최근에는 3D 프린팅 기술을 조직공학에서 사용하고자 하는 노력이 활발히 이루어지고 있지만, 세포를 함께 프린팅 했을 때 세포의 생존률이 낮고 사용 가능한 재료가 제한적이라는 문제점이 있다.

따라서 본 연구진은 일반적인 종이의 표면을 화학적으로 개질하여 세포와 하이드로겔을 코팅하여 간단한 종이접기(origami) 방식을 사용했다. 토끼의 기관지 모양을 모사하여 원통형으로 종이를 제작하여 실제 동물 모델에 적용한 결과, 뛰어난 조직재생능력을 나타냈다 <그림 4>.

종이접기(origami)기법을 이용한 조직 공학 기술 연구

4. 세포 표면 개질을 통한 줄기세포치료제 연구
최근 줄기세포 이식을 통한 질병치료법이 개발되고 있으나, 세포가 인체로 주입될 때 전단응력이 발생하거나 주변 환경에 적응하는 과정에서 생존율이 떨어져 치료 효율이 낮다는 문제가 있다. 이에 따라 체내로 주입된 줄기세포의 생존율을 향상시킬 수 있는 기술이 요구된다.

본 연구진은 세포 표면을 효율적인 방식으로 개질하여 생리활성 고분자를 세포 표면에 도입함을 통해, 주입된 세포의 생리활성도를 높일 뿐 아니라 주입된 세포의 모니터링, 세포를 통한 약물전달 등 세포제어를 할 수 있는 소재 개발을 목표로 하고 있다. 이러한 방식은 기존의 시스템들보다 짧은 시간에 간단하게 세포 표면을 개질함으로써 주입형 줄기세포 치료제의 효과를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다 <그림 5>.

세포 표면 개질을 통한 줄기세포치료제 연구

5. 접착형(adhesive) 하이드로겔 개발 연구
지금까지 개발된 이식용 생체재료는 숙주조직과 쉽게 융합되지 않아 환자의 거동 혹은 심장과 같이 자율적으로 운동하는 조직에 부착 시에 적용 부위에서 이탈하는 문제가 생기기 쉽다. 이러한 경우 추가적인 외과 수술을 동반하거나 생체재료의 치료효과가 급격히 낮아진다는 단점이 있다.

따라서 본 연구진은, 생체활성이 있으며 독성이 낮은 조직접착성(tissue adhesive) 하이드로겔을 개발함을 통해 다양한 조직에서의 부착성능을 확인하는 연구를 진행 중에 있다. 특히, 숙주 조직의 세포가 이식된 생체재료에 쉽게 융화됨으로써 생체재료의 치료효과를 지속할 수 있으며 이와 더불어 수분을 머금고 있는 하이드로겔의 특성을 활용하여 다양한 물질(세포, 약물 등)을 전달할 수 있기 때문에 조직 접착형 하이드로겔의 연구는 생체재료의 실용화 측면에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다 <그림 6>.

접착형(adhesive) 하이드로겔 개발 연구

연구성과  
2015년 이후 대표논문

  • Son B, Kim JA, Cho S, Jeong GJ, Kim BS, Hwang NS*, Park TH* (2017)
    Lineage specific differentiation of magnetic nanoparticle-based size controlled human embyoid body.
    ACS Biomaterials Science & Engineering, (Accepted)

  • Kim HD, Lee E, An YH, K S, Lee S, Yu SJ, Jang HL, Nam KT, Im SG, Hwang NS* (2017)
    Chondroitin Sulfate-based Biomineralizing Surface Hydrogels for Bone Tissue Engineering.
    ACS Applied Materials & Interfaces, (Accepted)

  • Ryu S, K im H, Kang S, Shin K, Jung SY, Heo J, Han J, Yoon JK, Lee JR, Hong J, Ahn KH, Hyeon T, Hwang NS*, Kim BS* (2017)
    Reversible Cell Layering for Heterogenous Cell Assembly Mediated by Ionic Crosslinking of Chitosan and Functionalized Cell Surface Membrane.
    Chemistry of Materials, (Accepted)

  • Park GK, Kim GS, Lee HS, Hwang NS*, Choi HS* (2017)
    Optical spectroscopic imaging for cell therapy and tissue engineering.
    Applied Spectroscopy Reviews, (Accepted)

  • Lee J, Kwon K , Kim M, Min J, Hwang NS, Kim WS* (2017)
    Transdermal iontophoresis patch with reverse electrodialysis.
    Drug Deliv., 24(1)701-706

  • Noh M, Kim SH, Kim J, Lee JR, Jeong GJ, Yoon JK, Kang S, Bhang SH, Yoon HH, Lee JC, Hwang, NS*, Kim BS* (2017)
    Graphene oxide reinforced hydrogels for osteogenic differentiation of human adipose-derived stem cells.
    RSC Advances, 7:20779-20788

  • Koh RH, Kim E, Kang BJ, Hwang NS* (2017)
    Chondrogenically primed tonsil-derived mesenchymal stem cells encapsulated in riboflavin-induced photocrosslinking collagen-hyaluronic acid hydrogel for meniscus tissue repairs.
    Acta Biomaterialia, 15:53:318-328

  • Kim J, Bennet N, Devita M, Chahar S, Viswanath S, Lee EA, Jung G, Shao P, Childers E, Liu S, Kulesa A, Garcia B, Becker M, Hwang NS, Madabhushi A, Verzi M, Moghe P* (2017)
    Optical High Content Nanoscopy of Epigenetic Marks Decodes Phenotypic Divergence in Stem Cells.
    Scientific Reports, 7:39406

  • Han ME, Kang BJ, Kim SH, Kim HD, Hwang NS* (2017)
    Gelatin-based Extracellular Matrix Cryogels for Cartilage Tissue Engineering.
    Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 45:421-429

  • Ahn YH, Yu SJ, Kim IS, Moon JM, Kim SH, Choi JS, Im SG, Lee KE* Hwang NS* (2017)
    Hydrogel functionalized janus membrane for skin regeneration.
    Adv Healthc Mater, 6(5)

  • Kim DH, Jang HL, Ahn KY, Lee HK, Park J, Lee EA, Jeong YJ, Kim DG, Nam KT*, Hwang NS* (2017)
    Biomimetic whitlockite inorganic nanoparticle-mediated in situ remodeling and rapid bone regeneration.
    Biomaterials, 112:31-43

  • Lee YB, Lee JY, Ahmad, T, Bak S, Lee J, Kim HD, Park TH, Hwang NS, Lim YM*, Shin H* (2016)
    Construction of 3D Cellular Multi-Layers with Extracellular Assembly Using Magentic Nanoparticles.
    Journal of Biomedical Nanotechnology, 12:1916-1928

  • Zhao X, Hwang NS, Bichara DA, Saris DB, Malda J, Vacanti JP, Pomerantseva I, Sundback CA, Langer R, Anderson DG, Randolph MA (2016)
    Chondrogenesis by Bone Marrow-derived Mesenchymal Stem Cells Grown in Chondrocyte-Conditioned Medium for Auricular Reconstruction.
    Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine

  • Vishnu Priya; A, Sivashanmugam; Boccaccini, Aldo; Goudouri, Ourania-Menti; Sun, Wook; Hwang, Nathaniel; Sankar, Deepthi; Nair, Shantikumar; Rangasamy, Jayakumar (2016)
    Injectable Osteogenic and Angiogenic Nanocomposite Hydrogel for Irregular Bone Defects.
    Biomedical Materials, 15:11(3)

  • Han ME, Kim SH, Kim HD, Yim HG, Bencherif SA, Kim TI, Hwang NS* (2016)
    Extracellular-Matrix-based Cryogel for Cartilage Tissue Engineering.
    International Journal of Biological Macromolecules

  • Jeong H, Lee ES, Jung G, Park J, Jeong B, Ryu KH, Hwang NS*, Lee H* (2016)
    Bioreducible catonic poly(amino amine)s for enhanced gene delivery and osteogenic differentiation of tonsil-derived mesenchymal stem cells.
    Journal of Biomedical Nanotchnology, 12(5):1023-34

  • Lee ES, Park J, Wang J, Lee H, Hwang NS* (2016)
    Osteogenic commitment of human induced pluripotent stem cell-derived mesenchymal progenitor-like cells on biomimetic scaffolds.
    Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 147-155

  • Choi YH, Jang IH, Heo SC, Kim JH, Hwang NS* (2016)
    Biomedical therapy using synthetic WKYMVm hexa-peptide.
    Organogenesis, 12(2):53-60

  • Kim HD, Lee EA, Choi YH, An YH, Koh RH, Kim SL, Hwang NS* (2016)
    High throughput approaches for controlled stem cell differentiation.
    Acta Biomaterialia

  • Lee ES, Kim SH, Lee H, Hwang NS* (2016)
    Non-viral approaches for direct conversion into mesenchymal stem cell types: Potential application in tissue engineering.
    Journal of Biomedical Materials Research Part B, 104(4):686-697

  • Kim SH, Lee HR, Yu SJ, Han ME, Lee DY, Kim SY, Ahn HJ, Han MJ, Lee TI, Kim TS, Kwon SK*, Im SG*, Hwang NS* (2015)
    Hydrogel-laden paper scaffold system for origami- based tissue engineering.
    Proc Natl Acad Sci U S A, 112(50):15426-15431

  • Choi YH, Heo SC, Kwon YW, Kim H, Kim SH, Jang IH, Kim JH*, Hwang NS* (2015)
    Injectable PLGA microspheres encapsulating WKYMVm peptide for neovascularization.
    Acta Biomaterialia

  • Jang HL, Zheng GB, Park J, Kim HD, Baek HR, Lee HK, Lee K, Han HN, Lee CK, Hwang NS, Lee JH, Nam KT* (2015)
    In vitro and in vivo evaluation of whitlockite biocompatibility: Comparative study with hydroxyapapite and b-calcium phosphate.
    Adv Healthc Mater

  • Heo J, Koh RH, Shim W, Kin W, Yim HG, Hwang NS* (2015)
    Riboflavin induced photo-crosslinking of collagen hydrogels and its application in meniscus tissue engineering.
    Drug Delivery and Translational Research

  • Song J, Lee EA, Cha S, Kim I, Choi Y, Hwang NS* (2015)
    Fabrication of multi-well platform with electrical stimulation for efficient myogenic commitment of C2C12 cells.
    Biomaterials and Biomedical Engineering: An International Journal, 2(1):33-45

  • Ro H, Park J, Yang K, Kim J, Jung G, Lee H, Cho SW, Hwang NS* (2015)
    Osteogenic Priming of Mesenchymal Stem Cells by Chondrocyte Conditioned Factors and Mineralized Matrix.
    Cell and Tissue Research

  • Son B, Kim HD, Kim M, K JA, Lee YB, Shin H, Hwang NS*, Park TH* (2015)
    Physical Stimuli-induced Chondrogenic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells Using Magenetic Nanoparticles.
    Adv Healthc Mater, 4(9):1339-47

  • Kim SJ, Cho HR, Cho KW, Qiao S, Rhim JS, Soh M, Kim T, Choi MK, Choi C, Park I, Hwang NS, Hyeon T, Choi SH, Lu N, Kim DH (2015)
    Multifunctional Cell-Culture-Platform for Aligned Cell Sheet Monitoring, Transfer Printing, and Therapy.
    ACS Nano

  • Hong J, Lee EA, Lee ES, Jung G, Jeong H, Lee H, Lee H*, Hwang NS* (2015)
    Induced myogenic commitment of human chondrocytes via non-viral delivery of minicircle DNA.
    J Control Release, 200:212-21

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