복잡한 나노 매트릭스 구조로 얼기설기 얽힌 세포 바깥 환경을 정밀하게 모사한 조직재생 촉진을 위한 지지체가 소개되었다. 한국연구재단은 김장호 교수(전남대학교)와 김명선 교수(전남대학교병원) 연구팀이 손상된 조직의 재생을 위한 나노 멀티스케일 지지체를 개발했다고 밝혔다.

손상된 조직과 장기의 재생을 돕기 위한 생체 내 삽입용 지지체의 개발을 위한 다양한 시도가 이뤄지는 가운데 세포 주변의 복잡한 나노크기의 멀티스케일 미세구조를 유사하게 구현하는 데 한계가 있었다.

이에 연구팀은 일렬로 정렬된 홈과 마루를 갖는 형태의 나노구조에 수십 나노미터에서 수백 나노미터에 이르는 나노기공들을 형성시켜 계층적 지지체를 개발하고자 하였다.
      ※ 세포외기질 : 세포와 세포 사이의 틈을 메워 물리적으로 조직을 지지하거나 세포를 에워싸서 세포가 튼튼하게 살아가기 위한 환경을 조성하는 생체고분자

생체적합성을 고려한 생분해성 폴리머를 기반으로 리소그래피와 산소 플라즈마 기술을 이용하여 일렬로 정렬된 형태의 나노패턴과 다양한 나노크기의 기공을 만들어 냈다.

산소 플라즈마에 의해 만들어진 계층적 구조들이 친수성을 띄면서 세포와의 친화성을 높인 결과 이 지지체에 세포를 배양할 경우 세포의 부착과 증식, 분화가 촉진되었다.
      ※ 분화 : 한 세포가 다른 특징을 갖는 세포로 변화하는 과정으로, 세포가 분열 증식하여 성장하는 동안에 구조나 기능이 특수화되는 현상.

나아가 세포의 기능을 조절함과 동시에 쥐 모델을 이용하여 조직재생 효능을 확인하였다. 회전 근개 힘줄이 손상된 쥐 모델의 조직 위에 지지체를 삽입하여  4주 후에 힘줄 및 섬유연골 조직 재생이 향상되는 것을 확인하였다.

또한 두개골이 손상된 쥐 모델의 뼈 조직 위에 지지체를 삽입하고  3주 및 6주 후에 두개골 조직의 재생이 향상되는 것을 확인하였다.

연구팀은 힘줄조직(연조직) 및 골 조직(경조직) 재생촉진의 실마리를 보여준 이 결과가 향후 임플란트나 이식재, 조직재생 치료제, 줄기세포 기반 바이오 의약품 연구 등에 기여할 것으로 기대하고 있다.

현재는 지지체를 동물모델에 삽입하여 얻은 전임상 결과로 실제 임상 적용을 위해서는 대량생산 공정구축과 임상시험을 통해 조직재생 효능을 검증하는 것이 추가로 필요하다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오·의료기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재생의학 분야 국제학술지‘엔피제이 리제너레이티브 메디신(npj Regenerative Medicine)’에 9월 9일 게재되었다.

주요내용 설명

논문명
Plasma-assisted multiscale topographic scaffolds for soft and hard tissue regeneration
저널명
npj Regenerative Medicine
키워드
Bioinspired scaffold (생체모사 지지체), Multiscaletopography (다중스케일구조), Nanotopograpy (나노구조), Plasma modification (플라즈마 수정), Tissue engineering (조직공학)
DOI
https://doi.org/10.1038/s41536-021-00162-y
저  자
김장호 교수(공동 교신저자/전남대학교), 김명선 교수(공동 교신저자/전남대학교병원), 김우찬 (공동 제1저자/전남대학교), 권용현 (공동 제1저자/전남대학교), 김양경 (공동저자/전남대학교병원), 박선호 (공동저자/전남대학교), 강성주 (공동저자/전남대학교병원), 박형규 (공동저자/전남대학교병원)

<작성 : 전남대학교 김장호 교수, 전남대학교병원 김명선 교수>

1. 연구의 필요성
 ○ 손상된 조직과 장기를 재생시키는 인체기능 복원기술인 첨단재생 의료는 차세대 의료기술로서 급속도로 부상하고 있다. 재생소재는 세포의 조직재생 능력을 극대화 시킬 수 있는 첨단재생의료의 핵심기술로 세포 주변의 복잡한 나노구조의 미세환경을 정밀하게 구현하는 것이 중요하다.
 ○ 연구팀은 인체 내 세포가 매우 정밀하게 구축되어 있는 계층적 나노 구조에 노출되어 있음에 착안하여 나노 멀티스케일 지지체를 개발 하고자 하였다.
 ○ 생체 내 세포는 화학적 요인, 기계적 요인, 세포-세포 상호작용 및 세포외 기질(ECM)의 구조적 요인으로 구성된 세포 미세 환경에 노출되고 둘러싸여 있다. 이 요인들은 궁극적으로 조직 형성과 기능에 영향을 미치는 세포의 운명, 행동, 기능을 조절하는 생물학적 신호로 전환될 수 있다.
 ○ 복잡한 나노구조를 갖는 세포외기질은 생체 내에서 생리적으로 관련된 세포의 기능(즉, 형태, 이동, 증식 및 분화 등)을 조절하는데 중요한 역할 한다. 따라서 첨단조직재생 소재를 개발하기 위해서 세포외기질의 멀티스케일 구조를 모사하는 것은 세포 기능을 개선하여 조직 재생을 가속화하기 위한 유망한 전략이다.
 ○ 현재까지 임상에 쓸 수 있는 세포외기질의 나노구조 모사 지지체를 개발하기 위해 수많은 연구가 이뤄져 왔다. 간단한 나노구조의 지지체 개발은 활발히 수행되었지만 균일한 다중 나노크기의 구조 또는 계층적인 나노구조를 갖는 복잡한 멀티스케일 지지체를 개발하는 것은 정교한 공정 단계의 필요성과 적절한 제조 기술의 한계로 인해 여전히 과제로 남아있다.
 ○ 연구팀은 인체에 사용하기 용이한 대면적의 계층구조를 수 나노 사이즈에서 수백 나노사이즈까지 정밀하게 구현하기 위하여, 세계 최초로 리소그래피와 플라즈마 기술을 융합하여 연조직(힘줄조직) 및 경조직(골조직) 재생을 촉진시킬 수 있는 생체모사형 나노 멀티 스케일 지지체를 개발하였다.
      ※ 리소그래피 : 반도체공정에서 회로를 만들 때 사용하는 기법으로, 선택적으로 표면을 노출시키는 마스크를 이용하여 미세 패턴을 형성하는 기법
      ※ 플라즈마 : 고체, 액체, 기체에 이어 4번째 상태로 원자핵과 자유전자가 따로따로 떠돌아다니는 상태

 2. 연구내용
 ○ 연구팀은 세포의 기능을 향상시켜 힘줄조직 및 골조직 재생을 극대화 시킬 수 있는 계층 구조의 나노 멀티스케일 지지체를 개발 하였다.
 ○ 지지체의 기반 재료로 생체적합하고 생분해성의 합성폴리머인 폴리 카프로락톤을 사용하였고 리소그래피와 플라즈마 기술을 융합하여  일렬로 정렬된 나노패턴구조와 다양한 나노사이즈의 기공을 갖는 나노 멀티스케일 지지체를 제작하였다.
 ○ 이 지지체에 세포를 배양하였을 때 접착과 증식이 향상되었을 뿐만 아니라 골 형성 미네랄 발현도 촉진시킬 수 있음을 증명하였다.
 ○ 특히 나노 멀티스케일 지지체를 손상된 어깨힘줄 파열 및 두개골 결함 동물 모델에 삽입하였을 때 힘줄 조직재생과 골 조직 재생을 극대화 시킬 수 있다는 사실을 증명하였다.
 ○ 연구팀은 나노 멀티스케일 지지체가 단일 조직재생이 아닌 다양한 조직재생에 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

3. 기대효과
 ○ 연구팀은 인체 내 세포의 미세환경인 세포외기질의 복잡한 계층적 나노구조를 정밀하게 모사하기 위해 리소그래피와 플라즈마 기술을 융합 하여 첨단바이오재생 원천나노소재 플랫폼 기술을 개발하였다.
 ○ 차세대 임플란트 등의 의료기기, 줄기세포 기반의 바이오의약품 생산 및 조직재생 치료제 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

(그림 1) 나노 멀티스케일 지지체 제작과정 및 전자현미경 이미지
세포의 주변 미세환경인 세포외기질의 계층적 나노구조를 모사하기 위해 리소그래피와 플라즈마 기술을 융합하여 나노 멀티스케일 지지체를 개발하였다. 제작된 나노 멀티스케일 지지체의 표면은 정렬된 나노구조에 산소가스 플라즈마 에칭에 의해 나노기공이 형성되어 계층적이며 멀티스케일 나노구조 형태로 제작되었다.
그림설명 및 그림제공 : 전남대학교 김장호 교수, 전남대학교병원 김명선 교수
 

(그림 2) 나노 멀티스케일 지지체의 세포 접착 및 증식 촉진                  
멀티스케일 나노구조에 따라 세포의 접착과 증식이 월등하게 향상되었다.
그림설명 및 그림제공 : 전남대학교 김장호 교수, 전남대학교병원 김명선 교수
 

(그림 3) 나노 멀티스케일 지지체에 대한 세포의 골 형성 미네랄 발현 촉진    
멀티스케일 나노구조에 따라 세포의 분화(골분화)가 월등하게 향상되었다.
그림설명 및 그림제공 : 전남대학교 김장호 교수, 전남대학교병원 김명선 교수
 

(그림 4) 나노 멀티스케일 지지체의 힘줄 조직 재생 효능 평가
쥐 모델의 손상된 회전 근개 힘줄 조직 위에 나노 멀티스케일 지지체를 삽입하여 4주 후에 힘줄 및 섬유연골 조직의 재생을 확인하였다. 나노 멀티스케일 지지체를 이용하여 재생된 힘줄 및 섬유연골 조직은 본래의 힘줄 조직과 유사한 콜라겐 배열과 밀도로 재생된다는 것을 증명하였다.
그림설명 및 그림제공 : 전남대학교 김장호 교수, 전남대학교병원 김명선 교수
 

(그림 5) 나노 멀티스케일 지지체의 뼈 조직 재생 효능 평가
쥐 모델의 손상된 두개골 조직 위에 나노 멀티스케일 지지체를 삽입하고 3주 및 6주 후에 두개골 조직의 재생을 확인하였다. 나노 멀티스케일 지지체를 이용하여 재생된 뼈 조직은 대조군들에 비해 뼈 조직 형성이 촉진된다는 것을 확인할 수 있었다.
그림설명 및 그림제공 : 전남대학교 김장호 교수, 전남대학교병원 김명선 교수

연구 이야기

<작성 : 전남대학교 김장호 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

질병이나 사고로 인해 손상된 조직과 장기를 재생시키는 기술인 첨단재생의료에 활용할 수 있는 소재를 개발하고자 하였습니다. 본 연구팀은 세포의 구조적 미세환경을 모사하여 다양한 나노구조 지지체 개발하는 기술을 보유하고 있었습니다. 리소그래피 기술과 플라즈마 기술을 융합하여 새로운 멀티스케일 나노구조체를 개발하고 세포의 기능 향상과 다양한 조직의 재생에 적용하고자 하였습니다. 다양한 플라즈마 처리조건과 멀티스케일 나노구조에 민감하게 반응한 세포들의 기능이 향상되는 것을 검증하였고 동물모델을 통해 흔한 질병인 어깨힘줄재생과 골 재생에 적용하고자 하였습니다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

임상의들과의 긴말한 논의 후 생체 내에 삽입되는 재생소재로서 최적인 생분해성 폴리머로 지지체를 제작하게 되었습니다. 하지만 현재 임상에 사용되고 있는 폴리머기반 지지체는 조직을 재생시키는 데에 있어 많은 한계점이 있습니다. 이에, 공학적 기술과 임상적 소견을 기반으로 나노구조의 규격을 설정하여 나노 멀티스케일 지지체 개발하고 세포의 기능을 향상시킨다는 데이터를 확보하였습니다. 생체 내 조직재생 효능을 검증하기 위해 개발된 지지체를 동물모델의 병변부위에 삽입하기 쉽도록 최적화 하였고 힘줄 및 골 조직 재생 효능을 검증하였습니다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

단일 조직재생에 대한 효능이 아니라 대표적인 연조직(힘줄) 및 경조직(골)의 조직재생 효능을 평가하였기 때문에 많은 동물모델과 숙련도를 필요로 하였습니다. 다량의 동물모델 전임상경험과 병리학적 평가기술을 보유한 전남대학교병원 정형외과 김명선 교수 연구팀과 활발하고 적극적인 논의를 통해 조직 재생 효능을 검증하였습니다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 조직재생 지지체는 단순한 마이크로 또는 나노크기의 구조들로 다양하게 개발되었습니다. 균일한 나노구조 또는 각기 다른 다중 나노구조를 갖는 복잡한 멀티스케일 지지체를 개발하는 것은 정밀하고 복잡한 제조공정의 한계로 인해 여전히 도전적인 과제로 남아 있습니다. 본 연구팀은 비용이 적게 드는 간단한 공정을 통해 각기 다른 나노구조와 나노크기를 갖는 멀티스케일 지지체를 개발하였습니다. 보다 정밀하게 복잡한 세포의 미세환경을 모사할 수 있는 기술의 기반이 될 것으로 기대합니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

이식재(정형외과, 치과 등) 뿐 아니라 다양한 조직(피부, 신경, 치아, 심장, 근육, 힘줄, 인대, 연골, 뼈 등)의 재생에 응용될 수 있을 것으로 기대합니다. 조직재생 치료제 실용화를 위해서는 개발된 지지체의 대량생산 공정구축이 필요합니다. 또한 조직재생에 관한 임상시험도 요구됩니다. 본 연구성과는 ㈜나노바이오시스템에 기술이전을 하였으며, 실용화를 위하여 본격적으로 공동연구를 진행하려고 합니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

본 연구에서는 나노 멀티스케일 지지체를 이용하여 세포의 기능과 힘줄 및 골 조직재생에 미치는 영향을 중점적으로 확인하였습니다. 이를 토대로 줄기세포의 기능을 향상시키고 특정 세포로의 효율적인 분화를 조절하는 지지체로서 줄기세포와 결합하여 개인맞춤형 줄기세포 조직재생 치료제 개발을 위한 연구로 확장할 계획입니다.