관절 연골 재생을 위한 새로운 나노섬유 기반 세포-매트릭스 시스템

관절 연골은 한 번 손상되면 자연적으로 회복되기 매우 어려운 조직이다. 연골은 혈관이 거의 없고 세포 밀도가 낮기 때문에 손상 이후에도 충분한 조직 재생이 일어나지 않는 경우가 많다. 특히 연골과 그 아래의 뼈를 동시에 포함하는 골연골 결손(osteochondral defect) 은 임상적으로 매우 치료가 어려운 질환으로 알려져 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 줄기세포와 생체재료를 결합한 조직공학 기반 재생 치료가 활발히 연구되고 있다.
히알루론산(hyaluronic acid, HA)은 연골 조직의 주요 구성 성분으로 세포의 연골 분화를 촉진하는 능력이 있어 연골 재생 연구에서 널리 활용되어 왔다. 그러나 HA는 매우 친수성이 강하고 세포가 직접적으로 결합할 수 있는 리간드가 부족하기 때문에 세포 부착성이 낮다는 한계가 있다. 또한 HA를 이용한 기존의 하이드로겔 구조는 세포와 매트릭스 사이의 상호작용을 충분히 재현하기 어렵다는 문제도 존재한다.
본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 히알루론산 기반 나노섬유(nanofibril) 구조를 설계하여 줄기세포와 자연스럽게 결합하는 새로운 세포-매트릭스 시스템을 개발하였다. 연구팀은 동축 전기방사(co-axial electrospinning) 기술을 이용해 PCL/PEG 외층과 HA 중심(core)을 가진 나노섬유를 제작하였다. 이후 PEG를 제거하여 표면에 HA가 노출되도록 만들고, 이를 물리적으로 분쇄하여 PCL@HA 나노피브릴(PCL@HA NFs) 형태로 제작하였다. 이렇게 만들어진 나노피브릴은 높은 표면적과 다공성 구조를 갖기 때문에 세포와의 상호작용을 크게 증가시킬 수 있다.
이 나노피브릴을 지방유래 줄기세포(adipose-derived stem cells, ADSCs)와 함께 배양하면 세포와 나노섬유가 자발적으로 결합하여 세포-매트릭스 구조를 형성한다. 이러한 구조는 기존의 평면 배양이나 일반적인 나노섬유 스캐폴드보다 세포 침투와 세포 간 상호작용이 활발하게 일어나도록 한다. 실제 실험 결과에서도 HA가 포함된 나노피브릴 환경에서 줄기세포의 증식이 증가하고, 연골 분화와 관련된 유전자(SOX9, COL2, ACAN 등)의 발현이 크게 증가하는 것이 확인되었다. 이는 HA와 세포 표면 수용체인 CD44의 상호작용이 활성화되면서 연골 분화를 촉진하는 신호 경로가 작동하기 때문으로 해석된다.
또한 연구팀은 이러한 세포-나노피브릴 매트릭스를 실제 동물 모델에 적용하여 치료 효과를 평가하였다. 쥐의 대퇴골 활차부에 인위적으로 골연골 결손을 만든 후 해당 매트릭스를 이식한 결과, HA 나노피브릴과 줄기세포가 결합된 그룹에서 연골 재생과 조직 회복이 가장 우수하게 나타났다. 조직학적 분석에서도 새로운 연골 조직 형성과 콜라겐 II 발현이 증가하는 등 연골 재생이 효과적으로 이루어지는 것이 확인되었다.
이 연구는 히알루론산의 생물학적 장점을 유지하면서도 세포 부착성과 세포-매트릭스 상호작용을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 나노섬유 구조를 제시했다는 점에서 중요한 의미를 가진다. 특히 나노피브릴 기반 구조는 세포와 자연스럽게 결합하여 자발적인 세포-매트릭스 조직을 형성한다는 특징을 가지며, 이는 기존의 조직공학 스캐폴드와 차별화되는 접근 방식이다.
향후 이러한 기술은 줄기세포 치료와 결합된 차세대 연골 재생 치료 전략으로 발전할 가능성이 있으며, 스포츠 손상이나 퇴행성 관절 질환 등 다양한 관절 질환 치료에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 형식Research article
• 게재일2026년 03월 (BRIC 등록일 2026-03-06)
• 연구진국내 연구진
• 분야 바이오·의료융합 > 바이오소재