국내 연구진이 외상 후 본인의 다른 신체부위 근육이 아닌 체외에서 별도로 세포를 배양해서 치료에 이용할 수 있는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST)은 생체재료연구센터 한형섭 박사, KIST 유럽 환경안전성연구단 전인동 박사 연구팀이 고려대학교 의과대학 송재준 교수팀과의 공동연구를 통해 체내 근육 조직과 유사한 물리적 환경을 모방할 수 있는 차세대 세포배양 플랫폼을 흔히 쓰이는 플라스틱 배양접시를 이용해 개발하여, 치료 효능을 갖춘 고품질 세포를 생산하는 데 성공했다고 밝혔다.

근육은 자가 재생능력이 있으므로 일정 수준 이하의 외상은 자체적으로 치유된다. 그러나 치명적인 외상의 경우에는 자체 치유가 어렵기 때문에 환자의 몸에서 직접 채취한 근육세포를 이식하는데, 이 경우 환자의 건강한 근육을 손상시켜야 한다. 외부에서 근육세포를 배양하여 이식할 수도 있지만, 이 경우 임상에서 잘 쓰이지 않을만큼 세포 생존율 및 치료 효능이 낮다는 한계가 있었다.

연구진은 고품질의 근육 세포를 확보하기 위해 체내 환경을 모사한 배양 플랫폼을 제작했다. 연구자 및 임상의 누구나 쉽게 활용이 가능한 상용 플라스틱 세포 배양 접시 표면에 비접촉식 레이저 가공을 통해 체내 근육 조직과 유사한 표면 구조를 만들고, 탈부착식 전기장 자극 시스템을 도입하여 인체와 같은 전기적 환경을 만들어준 결과 충분한 치료 효능을 갖춘 고품질 세포를 단시간 내 다량 배양할 수 있게 되었다.

개발한 플랫폼에서 배양한 근육세포를 근육이 손상된 마우스 모델에 이식해 근육 재생 경과를 관찰 한 결과 체내 생존율이 높아져 손상된 근육의 재생 및 손상된 근육 주위 신생혈관 생성량이 기존 외부 근육 세포 배양 기술 대비 4~5배 향상되었다.

KIST 유럽 전인동 박사는 “최근 고품질의 체외 세포 생산기술은 점점 좋아지는 반면, 플랫폼 접근 및 사용이 복잡해져 역설적이게도 세포 치료분야의 최종 사용자인 임상의는 이에 접근하기 어려웠다. 개발된 차세대 세포 배양 플랫폼은 최종 사용자의 니즈인 접근성 및 사용 편리성을 최우선적으로 고려했다.”고 밝혔다.

KIST 한형섭 박사는 “세포배양 솔루션 공급기업과의 협력을 통해 대량 생산기술 확보 등 실용화 연구로 확장하는 것이 목표”라며, “추후 근육 세포뿐만이 아니라 다양한 세포를 이용한 치료제 연구로 확대 적용이 가능한 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 기능성 재료 분야 국제 저널인 ‘Bioactive Materials’ (IF: 14.593, JCR 분야 상위 1.25%) 최신 호에 게재되었다.
 * (논문명) Synergistic stimulation of surface topography and biphasic electric current promotes muscle regeneration
   - (제 1저자) 한국과학기술연구원 전인동 선임연구원
   - (교신저자) 고려대학교 송재준 교수
   - (교신저자) 한국과학기술연구원 한형섭 선임연구원
 

연구결과 개요

1. 연구배경
 ○ 주사형 세포치료제로서의 성공을 위해 가장 필요한 공여자의 세포수 확보 (대량증식) 및 기능성 유지가 우선적이나, 확보된 근육 세포의 치료 기능이 상실되었다면 세포치료제로서의 효능이 현저히 떨어짐. 일반적으로 대부분의 연구자들이 세포를 배양할 때 사용하는 보편적인 세포배양 플랫폼은 플라스틱세포배양접시 (Tissue Culture Plate)이다. 그러나  세포치료제에 사용가능한 세포를 체내와 유사한 배양환경을 제공하지 못하는 플라스틱 배양접시에 배양을 할시, 세포의 기능이 현저히 감소하여 세포치료제로서의 효능이 떨어진다. 그렇기 때문에 근육 세포치료제로서 사용가능한 근육전구세포의 기능을 유지 또는 향상되어진 많은 수의 세포를 확보 할 수 있는 신개념의 차세대 세포배양 플랫폼 기술이 필요하다

2. 연구내용
○ 기존 선행 연구들에서 진행한 주사형 세포치료제의 세포를 획득하는 방법은, 플라스틱세포배양접시에서 획득한 세포를 손상된 근육 조직 치료에 이용하였으나, 이 경우에는 이식한 세포의 생존율 및 치료 효능이 낮다는 한계가 있었다. 이에 본 연구에서는 근육 조직과 유사한 물리적 환경을 체외에서 모사할 수 있는 표면 구조 및 전기장 자극 시스템을 이용한 세포배양 플랫폼을 이용하여 환자에서 획득한 근육전구세포의 치료 기능을 향상 시킬 수 있도록 노력하였다. 또한 기존 연구는 복잡한 시스템을 통해 세포의 기능을 조절 할 수 있는 세포배양플랫폼 개발에 초점을 두었다면, 본 연구는 현재 많은 연구자들이 보편적으로 사용 및 접근이 용이한 플라스틱세포배양접시 및 물리자극유도형 디바이스를 기반으로 근육세포의 운명 및 치료 잠재력까지 증가시키는 것을 목표로 하여 연구하였다.

3. 기대효과
○ 본 연구 결과는, 치료용 세포의 이식기술 및 미세 환경을 조절하는 원천기술 및 특허 선점 가능할 것으로 기대되며 신약 개발 및 임상 시험 분야와 비교해 적은 투자비용과 짧은 연구개발 기간을 통해 고부가가치의 원천기술 확보 및 상품 개발이 가능할 것으로 사료됨
○ 국내 의공학 기술수준의 경쟁력 확보하고 다양한 장기손상을 유발하는 질환에 적용 가능한 차세대 기반기술 확보.

연구 결과 문답

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

일반적인 세포의 이식은 공여자로부터 얻어낸 세포를 체외배양 조건하에서 원하는 수의 세포를 얻을 때까지 배양한 다음 효소 등을 처리하여 배양기에 흡착되어 있는 세포를 떼어내 부유 형태로 원하는 조직 부위에 전달하는 방법을 사용하여 왔으나, 세포치료제에 사용가능한 세포를 체내와 유사한 배양환경을 제공하지 못하는 플라스틱 배양접시 (Tissue Culture Plate)에 배양을 할시, 세포의 기능이 현저히 감소하여 세포치료제로서의 효능이 떨어진다고 널리 알려져 왔다. 이번 연구는 근육 조직과 유사한 물리적 환경을 체외에서 모사할 수 있는 표면 구조 및 전기장 자극 시스템을 이용한 세포배양 플랫폼을 이용하여 환자에서 획득한 근육전구세포의 기능을 유지하거나 향상 시킬 수 있는 조건을 확립하여 세포/동물 단위에서의 치료 효능을 확인하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

전 세계적으로 세포치료제 관련 세포배양 연구가 굉장히 높은 수준에 도달하였으나, 아이러니 하게 해당 분야의 end-user (임상의)의 접근 가용성이 점점 어려워지고 있다. 상업적으로 누구나 이용이 가능한 세포배양접시를 기본 용기 (primary vessel)로 이용하여, 최종 사용자(임상의)의 니즈 (접근 용이성/사용편리성)를 고려한 세포 배양 플랫폼을 개발했다는 것이 현재 우리 연구팀이 진행하고 있는 연구의 연속성과 방향성을 보여준다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?

생물학적으로 기존의 단순한 배양조건에 비하여 인체 내 미세 환경과 유사한 세포배양 조건을 개발하여 세포의 성장과 분화 및 사멸에 영향을 주는 기계적, 화학적, 구조적 인자들을 복합적으로 연구할 수 있는 원천기술 기반을 구축할 수 있음. 기술의 실용화를 염두에 두고, 치료용 세포의 원료인 고품질 세포 생산의 재현성이 높은 차세대 세포배양플랫폼을 활용하였으므로, 세포 이식기술 및 미세 환경을 조절하는 연구개발 분야와 같은 고부가가치의 주원료로 활용될 수 있다.

□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?

근육의 기능에 어려움이 있어 움직임이 제한되는 환자들의 치료 방법에 다양한 방법으로 활용할 수 있게 되므로, 해당 환자들의 치유와 삶의 질 개선에 도움이 될 것으로 보인다. 또한, 최근 세포치료제의 주원료인 고품질의 세포 생산에 있어 세계적으로 높은 기술력을 보여주지만, 세포 치료분야의 최종 사용자인 임상의의 접근이 용이 하지 않다. 본 연구를 통해 최종 사용자(의사) 니즈(접근용이/사용편리)를 고려한 차세대 세포 배양 플랫폼을 소개 하였으며, 세포배양 솔루션 공급기업과의 협력을 통해 대량 생산기술 확보와 같은 실용화 연구로 확장하는 것이 목표이다.
 

[그림 1] 근육의 물리적 환경을 모방한 차세대 세포배양 플랫폼에서 획득한 고품질 치료효능을 가진 인체유래 근육전구세포

[그림 2] 개발한 플랫폼에서 배양한 근육세포를 근육이 손상된 마우스 모델에 이식해 근육 재생 경과를 관찰