한빛사 인터뷰
- 등록2025-02-17
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1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
현재 신약개발단계 중 동물실험은 종 간 특이성, 윤리적 문제로 어려움이 있습니다. 이를 해결하기 위해, 실제 장기 및 조직의 구조적 복잡성을 모사할 수 있는 다양한 in vitro 약물스크리닝 모델이 개발되고 있습니다. 모델 구축에서, 다양한 세포 유형으로 분화할 수 있는 독특한 능력을 가진 줄기세포는 매우 중요한 역할을 해오고 있습니다. 특히, 중간엽 줄기세포 (MSC, Mesenchymal stem cell)는 성체 조직에서 쉽게 추출할 수 있으며, 안정성 문제가 적고 다능성을 지니기 때문에 뼈, 지방, 연골, 근육 세포 등으로 분화할 수 있습니다. 그러나, MSC를 실제 장기에서 관찰되는 연결 조직 또는 인터페이스와 같이 서로 다른 세포 유형이 공존하는 모델에 배양하는 데에는 문제가 있습니다. 전체 세포 집단이 동일한 분화 배지에 노출되므로 공간적으로 제어된 분화가 어렵다는 점과 세포의 분리, 재부착, 정밀한 배치 등은 시간이 많이 소요되며 이는 심각한 세포 손상까지 초래한다는 점입니다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 물리적 신호 (나노패턴)와 생화학적 신호 (분화 인자)를 동시에 이용하여 단일 플랫폼 상에서 공간 특이적으로 줄기세포의 다중 자동분화를 제어할 수 있는 FANTA (Functionally Aligned Nanoparticle-Trapped Nanopattern Arrays) 플랫폼을 개발했습니다. 본 연구에서는 골수와 치밀뼈의 교차 단면을 모사하기 위해, 3종 뼈 분화유도인자를 모두 21일 이상 안정적으로 장기간 서방출할 수 있는 다공성 MOF (metal-organic frameworks) 나노입자를 두 가지 다른 나노패턴 (나노홀, 나노라인)으로 설계된 단일 나노어레이 플랫폼 내 선택적으로 코팅했습니다. 결과적으로 추가적인 분화유도인자 투입 없이, 일반 성장 배지만으로도 나노입자가 코팅된 영역 (나노라인)에는 뼈 세포가 자동 생성되었으며, 나노입자가 없는 영역 (나노홀)에는 지방세포가, 그 경계면에는 두 세포가 동시에 생성되었습니다. 기존 프로토콜 대비 분화 성숙도가 약 80배 이상 촉진되었으며, 98% 이상 높은 분화 선택도로 공간 특이적 다중분화가 가능함을 입증했습니다.
본 연구를 통해 개발된 FANTA 플랫폼은 골다공증과 같은 고급 약물 스크리닝을 위한 in vitro 모델의 신뢰성과 활용성을 높이며, 환자 맞춤형 줄기세포 치료를 포함한 의학연구 및 치료제 개발에 상당한 발전을 제공합니다. 또한, 다양한 분화 인자와 나노소재를 결합함으로써 성체줄기세포뿐만 아니라, 만능줄기세포의 다양한 분화에도 적용할 수 있으며, 오가노이드 및 어셈블로이드 등 복잡한 3차원 세포 구조체 자동분화에도 응용될 수 있을 것으로 기대됩니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.
성균관대학교 지능형정밀헬스케어융합전공 김태형 교수님 연구실 (https://bestlaboratory.wixsite.com/best)은 나노/마이크로 구조체 제작 기술을 이용한 줄기세포 거동 제어 및 분화 모니터링 용 플랫폼 개발 연구, 전기화학 기반 세포 신호 분석 기술/플랫폼 개발 연구, 그리고 3차원 세포/조직 배양 기술 및 약물 스크리닝 기술 개발 연구를 수행하고 있습니다. 원천기술 및 플랫폼 개발에 주력하는 만큼 다양한 분야의 연구시설 및 의료기관, 대학기관과의 협력 연구가 활발하게 이루어지고 있습니다.
3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
본 연구는 제가 대학원에 입학하고 처음으로 출판된 리서치 논문입니다. 논문이 저널 사이트에 올라간 것을 처음 봤을 때, 제가 현재 하고 있는 연구가 질병치료 그리고 임상에서 하나의 가능성으로 인정받고 있다는 사실을 실감했습니다. 하나의 프로젝트가 논문으로 완성되기까지 오랜 시간이 걸렸지만, 그 시간이 결코 헛되지 않았음을 느꼈습니다. 실패로 반복했던 시간, 예상대로 되지 않았던 순간마다 시간 낭비를 하는 것 같고 회의감이 들 때도 있었습니다. 하지만, 결국 이러한 과정을 통해 의미 있는 연구로 이어졌다는 점이 매우 보람찼습니다. 그리고 이러한 연구가 언젠가 누군가에게 희망이 될 수 있다는 점은 앞으로도 줄기세포 분야를 계속해서 연구하고 싶은 이유가 되었습니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
연구실에 처음 출근하고 몇 달 동안 스스로가 너무 답답했습니다. 저만 모르는 것 같고, 할 줄 아는 게 없는 것 같고, 다른 선배님들은 발표도 멋있게 하고, 아는 것도 많고 데이터도 짱 많고, 그림도 뚝딱뚝딱 잘 그리는데… 그런데, 다시 생각해보니 다른 선배님들은 그만큼 잘하기 위해서 누구보다 더 많은 시간을 투자하고 노력했는데, 저와 동일 선상에서 바라봤다는 것이 부끄러웠습니다. 세상에 당연한 것은 없다고 생각합니다. 누군가 실험을 잘 하고, 논문을 잘 쓰고, 발표를 잘하는 것은 다른 사람들 보다 더 많이 시간을 들여 노력했다는 생각이 들었습니다.
그리고, 연구를 하다 보면 하기 싫은 때도 생기고, 새로운 것을 배워야 할 때도 생기는데, 피하게 되면 결국 바뀌는 것은 없었습니다. 잘 못하면 어떡하지 하는 걱정이 들어도, 일단 시도하고 도전해보면 좋겠습니다. 생각보다 더 많은 것을 배울 수 있고, 무엇보다 주변에는 어려운 순간에 조언해주고 응원해주고 도와주는 사람이 많습니다. 앞으로 이 분야에 진학하시는 후배분들께서도 함께 성장하며 연구하면 좋겠습니다.
5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
이번 연구에 사용된 금속-유기골격체 (MOFs) 외에도 다양한 나노 소재를 사용한 플랫폼을 개발하고, 최종적으로는 오가노이드의 시 · 공간 특이적 분화제어가 가능한 자동분화 플랫폼을 개발하는 연구를 하고자 합니다. 앞으로 신약개발, 조기 진단, 환자맞춤형 치료에 기여할 수 있는 연구를 지속할 것입니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....
먼저 프로젝트를 진행하는 동안 아낌없는 조언과 지도로 이끌어 주신 성균관대학교 김태형 교수님께 감사드립니다. 또한, 연구생활을 함께하는 BEST 랩원들에게도 고맙다는 인사를 전합니다. 장기간의 FANTA 프로젝트를 함께하며 지치지 않도록 응원해주고, 새로운 도전을 할 수 있도록 도와준 연우오빠에게도 고마운 마음을 전합니다. 마지막으로, 가장 가까이서 항상 제 꿈을 응원해주고 지지해주는 가족들에게도 고마운 마음을 전합니다. 앞으로 더 노력해서 한국을 빛내는 연구자가 되겠습니다.
#줄기세포분화제어
#자동분화
#나노패터닝
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