심각한 염증으로 생긴 피부질환을 빠르게 치료하면서 원래 피부 상태로 완벽하게 돌릴 수 있다면? 와인의 떫은맛을 내는 탄닌산 등 천연 유래 성분으로 자가면역 기능을 조절해 염증성 상처를 재생하는 기술을 국내 연구진이 개발했다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 한양대학교 신흥수 교수 연구팀이 천연 유래 성분인 탄닌산*과 스트론튬 이온**의 자발적 결합으로 제작된 탄닌산-스트론튬 나노입자를 활용해 대식세포***의 활성을 조절함으로써 염증성 상처를 정상 피부와 유사하게 재생하는 생분해성**** 패치를 개발했다고 밝혔다.
*탄닌산: 과일 껍질, 견과류, 와인 등에 다량으로 존재하는 폴리페놀 중 하나로, 떫은맛을 내는 유기 화합물. 탄닌산과 단백질 사이의 강한 분자 간 결합력을 이용한 분자간 접착제 등 의료용으로 관심을 받고 있다.
**스트론튬 이온: 스르론튬(strontium, Sr, 원자번호 38)은 지각을 구성하는 원소의 하나로 알칼리토 금속에 속하며 스트론튬 이온은 반응성이 크고 이온의 크기가 큰 특징이 있다.
***대식세포: 선천면역을 담당하는 주요한 세포로 이물질을 집어삼켜 분해하는 식작용 기능을 지닌다.
****생분해성: 박테리아, 균류, 세포 등 다른 생물에 의해 화합물이 분해되는 성질

보통 상처가 생기면 자연적으로 치유되지만 당뇨성 피부질환, 깊은 화상 등의 경우, 치유 과정 중 조직괴사나 흉터가 생기기 쉽다. 이때 주로 사용하는 항염증제는 장기투여 부작용은 물론 근본적 치료에는 한계가 있었다. 

치유 과정 중 상처 초기에 유입된 이물질은 자연스럽게 대식세포에 의해 제거되는데, 대식세포는 염증반응 촉진 및 제어의 두 가지 기능을 가지고 있어 조직재생에‘양날의 검’으로 인식되고 있다.

최근 대식세포의 이런 기능을 조절해 염증을 제어하는 연구가 활발하지만 이를 유도하는 시스템 구축은 여전히 과제로 남아있다. 

연구팀은 대식세포의 기능 조절을 통한 우리 몸의 자발적인 재생기능 촉진에 주목했다. 강력한 염증 제어 효과를 지닌 탄닌산과 세포 이동 및 조직재생 효과가 있는 스트론튬 이온을 결합해 탄닌산-스트론튬 나노입자를 제작, 하이드로젤*에 담지해 생분해성 패치를 개발했다. 

개발된 생분해성 패치를 염증성 상처에 적용했을 때, 대식세포의 상처 부위로의 유입을 촉진하며, 기능을 조절해 상처를 빠르게 치유하고 흉터가 없는 피부 재생을 유도했다. 특히 생체 내 이식 시 세포를 손상 부위로 유입시켜 재생유도 신호를 촉진함을 확인했다.

 또한, 연구팀은 차세대 염기서열 분석법**을 통해 탄닌산과 스트론튬이 대식세포의 기능을 조절하는 상호보완적 메커니즘을 밝혀냈다.
*하이드로젤: 친수성 고분자가 결합해 3차원 가교를 형성하는 다공성 구조로, 많은 수분을 함유할 수 있는 물질.
**차세대 염기서열 분석법: 유전체 전체의 정보를 읽어낼 수 있도록 발전한 형태의 유전 분석법.

신흥수 교수는 “생체 내 고유한 자가 면역기능을 활용해 부작용을 최소화한 시스템으로 염증성 상처 치료를 유도한 것”이라며, “이번 기술은 다양한 하이드로젤 활용을 통해 골조직, 심장 조직 등 광범위한 조직 재생 플랫폼으로 활용할 수 있다.”고 설명했다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 기초연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 생체활성 물질 분야 국제학술지 ‘바이오액티브 머터리얼스(Bioactive Materials)’에 2024년 3월 5일 온라인 게재되었다. 

주요내용 설명

<작성 : 한양대학교 신흥수 교수>

논문명 Cell-homing and immunomodulatory composite hydrogels for effective wound healing with neovascularization 

저널명 Bioactive Materials

키워드 Immunomodulation (면역조절), Wound healing (상처치유), Neovascularization (신혈관 형성), Multi-functional nanoparticle (다기능성 나노입자), Composite hydrogels (복합 하이드로젤)

DOI https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.02.029

저  자

신흥수 교수(교신저자/한양대학교), 변하연 박사(제1저자/한양대학교), 한유진(제1저자/한양대학교), 김은형(참여저자/한양대학교), 전인동(참여저자/한국과학기술연구원), 이진규(참여저자/한양대학교), 정혜우(참여저자/한양대학교), 허승재(참여저자/한양대학교), 주진명 교수(참여저자/울산과학기술원), 신수련 교수(참여저자/하버드대학교)

1. 연구의 필요성

 ○ 최근 조직공학 기술 발전으로 상처를 빠르게 치료하는 것뿐만 아니라 손상 이전처럼 재생하고자 하는 연구에 대한 수요가 증가하고 있다. 일반적으로 상처가 생기면 자연적으로 치유되지만 당뇨, 심재성 화상 등 심각한 손상의 경우 상처 치유 과정 중 염증반응이 만성적으로 이어지는 현상이 발생한다. 치유 과정 초기의 염증반응은 이물질을 제거하기 위해 필수적이나 지속될 경우 정상적인 치유가 이루어지지 않고 흉터와 같은 영구적인 비정상적인 조직이 형성된다.

 ○ 이를 제어하기 위해 기존에는 주로 항염증제가 사용되었지만, 장기 투여의 부작용과 근본적 치료의 한계로 체내 자발적인 재생기능을 촉진하는 조직공학 기반 연구들이 각광 받고 있다.

 ○ 대식세포는 상처 발생 시 M1형으로 분화* 및 염증성 사이토카인* 분비 촉진을 통해 초기 염증반응을 주도하고, 이후에는 M2형 분화를 통해 항염증 사이토카인 및 성장인자* 분비로 조직 재생을 주도한다. 평상시엔 M1과 M2의 비율이 적절히 조절되나 심각한 손상에 의한 과다한 M1 활성은 염증이 지속되게끔 하여 조직공학 분야에서 ‘양날의 검’으로 인식되고 있다. 따라서 상처 부위로 세포의 이동을 촉진하고 M2형 분화를 유도함으로써 염증을 빠르게 제어하고 조직의 재생을 유도할 수 있도록 하는 기술의 개발은 상처의 자가치료를 촉진할 수 있는 새로운 방법이 될 수 있다.

     * 분화: 세포가 특이적인 특성을 갖는 세포로 변화하는 과정으로, 세포가 분열 증식하여 성장하는 동안 구조나 기능이 특수화되는 현상.

     * 사이토카인: 세포가 분비하는 비교적 작은 크기의 면역 단백질.

     * 성장인자: 세포의 성장을 촉진할 수 있는 능력을 가진 단백질.

2. 연구내용 

 ○ 연구팀은 대식세포의 기능 조절을 통한 재생 촉진을 위해 강력한 염증 제어 효과를 지닌 탄닌산과 세포 이동 및 조직 재생 효과가 있는 스트론튬 이온을 지속적으로 전달할 수 있는 기술을 개발하였다.

 ○ 탄닌산이 금속 양이온과 배위 결합*을 통해 자발적으로 금속-페놀 네트워크*를 형성할 수 있다는 점에 착안하여 탄닌산-스트론튬 나노입자 제작 기술을 개발하였으며, 효율적인 생체 전달을 위해 젤라틴 기반 하이드로젤에 담지해 나노입자 담지 생분해성 패치를 개발하였다.

 ○ 체외배양 조건에서, 생분해성 패치에서 방출되는 입자 성분이 대식세포의 과도한 M1형 분화를 줄이고 M2형 분화를 2배 이상 높였고, 세포 이동을 4배 촉진하였다. 동시에 혈관 세포의 이동과 혈관 구조 형성도 유도했다.

 ○ 특히, 생쥐 피하 조직에 이식 시, 대식세포를 포함한 주변 세포가 패치 내부로 유입되어 M2형 분화 및 조직 재생 단백질, 성장인자 발현을 통해 혈관 및 조직 재건을 원활하게 하였다.

 ○ 연구팀은 차세대 염기서열 분석을 통해 탄닌산과 스트론튬이 유전자 수준에서 상호보완적으로 대식세포의 혈관 유도, 조직 재생 기능을 조절하고 세포 이동을 촉진함을 밝혀냈다.

 ○ 최종적으로 나노입자 담지 생분해성 패치를 생쥐 염증성 상처 모델에 이식한 결과, 풍부한 혈관과 콜라겐을 기반으로 표피*, 진피* 및 모낭을 포함한 피부의 복합적인 구조를 재생하였다. 

    * 배위 결합: 한쪽 원자에서 전자쌍을 일방적으로 제공하는 형태의 공유 결합.

    * 금속-페놀 네트워크: 금속 이온과 폴리페놀의 배위 결합으로 형성된 화합물.

    * 표피: 피부 가장 표면에 위치하는 층으로 각질을 생성하고 피부를 보호하는 역할을 함.

    * 진피: 표피 아래 존재하는 피부 조직으로 모낭, 혈관, 신경, 근육 등이 포함되어 있음.

3. 연구성과/기대효과

 ○ 연구팀이 개발한 기술을 응용하면 기존 치료가 불가능했던 만성 염증성 및 대면적 상처에서도 정상적인 피부를 재생할 수 있을 것으로 기대한다.

 ○ 특히, 생체 내 고유한 자가 면역을 이용한다는 점과 생분해성 고분자, 천연 유래 물질을 사용한다는 점에서 부작용이 현저히 적어 연조직용 이식재, 조직공학용 치료제 개발에 이용될 것으로 기대된다.

 ○ 조직의 특성에 따라 다양한 종류의 하이드로젤에도 적용이 가능한 시스템이기 때문에 골 조직, 심장 조직, 등 광범위한 조직 재생에도 응용이 가능할 것으로 전망한다.

 ○ 나아가 본 연구에서 분석한 탄닌산 및 스트론튬을 이용한 복합적인 면역반응 조절 및 재생 메커니즘을 통해 다양한 생체재료의 조직 재생 기작을 이해하는 데 있어 많은 단서들을 제공할 것이라 예상되며, 이러한 생·화학적 원리들을 통해 조직공학적 이식재, 나노입자 기반 치료제, 면역 제어 의약품 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

(그림1) 자가조립을 활용한 탄닌산-스트론튬 나노입자 및 나노입자 담지 생분해성 패치의 제작
스트론튬 기반 용액에 탄닌산을 첨가해 금속-페놀 네트워크 기반 자가조립을 통해 탄닌산-스트론튬 나노입자를 제작하고 이를 하이드로젤에 접목해 나노입자 담지 생분해성 패치를 제작하는 기술을 개발함. 제작된 패치를 생쥐 피하 조직에 이식 시 패치에서 방출되는 나노입자 성분으로 대식세포의 유입 및 기능 조절을 효율적으로 유도할 수 있음을 증명함.
그림설명 및 그림제공 : 한양대학교 신흥수 교수

(그림2) 생쥐 염증성 상처 모델에서 나노입자 담지 패치 이식 후 평가          
나노입자 담지 생분해성 패치를 생쥐 염증성 상처 모델에 이식한 결과, 상처 치유 속도가 개선된 것을 확인하였음. 조직학적 분석을 통해 대조군 대비 다량의 성숙한 혈관 구조와 모낭 및 콜라겐 구조가 재건되며 실제 피부와 비슷한 조직 재생이 이루어진 것을 확인함.
그림설명 및 그림제공 : 한양대학교 신흥수 교수

연구 이야기

<작성 : 한양대학교 신흥수 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

본 연구팀은 골조직, 피부조직을 비롯한 다양한 조직의 결손을 손상 이전의 상태로 복구하고자 하는 다양한 조직공학적인 기술들을 개발 및 보유하고 있었습니다. 기존에는 손상된 조직을 빠르게 재생하는 것에 초점을 맞추었으나 이 경우 흉터 형성과 같은 비정상 조직이 형성되는 등 한계점이 존재하는 것을 알게 되었습니다. 그러던 중 폴리페놀과 금속이온의 화학적 반응을 이용해 다기능성 나노입자를 제작하는 기술을 개발하게 되었고, 이 나노입자의 구성성분인 폴리페놀과 금속이온이 면역세포들의 조절에도 탁월한 효과를 지닐 수 있다는 사실을 알게 되었습니다. 면역세포를 이용한 조직공학적 접근법은 최근 자가치료의 관점에 있어서 각광을 받는 기술이지만, 자칫하면 염증반응을 촉진시킬 수도 있어 이를 적절하게 조절할 수 있는 기술이 필요하게 되었습니다. 이에 본 연구진은 나노입자 공학을 통해 초기 면역반응에 중요한 대식세포의 이동 조절과 더불어 적절한 시기에 조직재생에 특화된 방향으로 분화가 가능할 수 있게 하는 나노소재의 개발에 대한 연구에 관심을 가지게 되었습니다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

기존 염증성 질환을 치료하기 위해 사용되는 약품의 경우 전신투여나 국소투여를 통해 전달하게 되는데, 이 경우 치료제가 염증 부위에 오래 머물지 못하거나, 전신적인 과다한 염증 제어 효과를 가져와 다양한 부작용을 야기하는 문제점이 있었습니다. 이에 연구팀은 미네랄화를 이용해 치료효과가 있는 폴리페놀 중 하나인 탄닌산과 스트론튬 이온이 지속적으로 배출될 수 있는 나노입자 제조 기술을 개발하고, 이를 국소적으로 오랜 기간 잔존할 수 있는 하이드로젤 기반 전달 기술을 접목시켜 조직재생을 촉진할 수 있는 기술을 개발하였습니다. 이러한 나노입자-하이드로젤 복합재료는 초기에 과다하게 촉진되는 염증반응을 탄닌산의 염증 제어 효과를 이용해 조절하는 동시에, 이후에는 스트론튬 이온의 분비를 통해 항염증 및 조직재생 촉진 효과를 지닌 M2형 대식세포의 유입을 촉진 및 분화시킬 수 있다는 것을 증명하였습니다. 생쥐 염증성 피부질환 모델을 이용한 동물실험을 통해서 개발된 생체재료가 성공적으로 정상적인 조직을 재생할 수 있음을 확인하였습니다. 또한, 차세대 유전자 염기서열 분석법을 이용하여 탄닌산과 스트론튬 이온이 상호보완적으로 대식세포의 기능을 성공적으로 제어하여 정상적인 수준으로 조직을 재생할 수 있는 메커니즘을 확인하였습니다.

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

염증성 상처 모델을 제작하기 위해서는 상처 조직의 수축을 제어하고 지속적인 염증을 유발하기 위한 기술이 필요했습니다. 기초연구실 과제의 공동연구팀 중 UNIST 바이오메디컬 공학과 주진명 교수 연구팀이 염증성 피부질환 동물 모델에 전문적인 기술을 보유하고 있어서 공동연구를 통해 마우스를 활용한 염증성 동물 모델 제작에 성공했고 개발한 재료의 치료 효과를 확인할 수 있었습니다. 또한, 기존 PCR 및 면역형광 염색법만으로는 새로 개발한 재료의 정확한 작동 메커니즘을 분석하기 어려웠는데, KIST-Europe의 전인동 박사와 국제 공동연구를 통해 차세대 유전자 염기서열 분석을 진행해 대식세포의 유전적 변화를 확인할 수 있었습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

염증성 상처를 치료하기 위해 대식세포의 기능을 조절한 기존 기술들을 통해 염증을 제어할 수 있었지만, 더욱 빠르고 효율적인 염증 제어 및 조직재생에 특화된 기능 조절을 통해 정상 조직과 유사한 수준의 재생을 유도하는 것이 여전히 과제로 남아있었습니다. 연구팀에서 개발한 나노입자 담지 생분해성 패치는 대식세포의 상처 부위로의 이동을 유도하고 유입된 대식세포의 분화 조절을 통해 조직재생 및 재건을 유도하는 기능을 갖게 함으로써 자가 치유 프로세스를 촉진하는 시스템 구축에 성공하였습니다. 이를 통해 상처 치유 속도 증가는 물론 모낭, 콜라겐, 혈관을 포함한 진피 및 표피 구조의 성공적인 재생을 구현해냈습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

당뇨성 궤양, 대면적 피부 상처, 심재성 화상과 같은 치료가 어려운 만성 염증성 상처 치료를 위한 패치로 활용되어 난치성 피부질환으로 고통받는 환자의 삶의 질을 개선하는데 기여할 수 있습니다. 여기에 더해서, 하이드로젤을 전달체로써 활용해 다기능성 나노입자를 전달하고 그 효과를 유도하는 시스템이기 때문에 하이드로젤의 물성, 구성 고분자 등을 여러 조직의 특성에 맞게 변경한다면 피부 조직 뿐만 아니라 골 조직, 신경 조직, 근육 조직 등 다양한 조직에서 발생하는 염증성 질환 치료 및 조직 재생에 활용할 수 있습니다. 하지만, 실용화를 위해서는 나노입자의 대량생산 제작법 확립을 비롯한 다양한 재료 및 면역세포들과의 상호작용에 대한 추가적인 연구가 필요하기 때문에 앞으로의 연구를 통해 이러한 점을 해결하고자 합니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

본 연구에서는 개발된 다기능성 나노입자의 대식세포의 이동 및 M1/M2형 분화 조절의 기능적 측면에 중점을 두고 연구가 진행되었습니다. 하지만 개발된 나노입자가 다른 면역세포들과 어떻게 반응하는지 메커니즘적인 측면에서 밝히고 싶은 점이 아직 많이 남아있어 후속 연구를 통해 밝힐 예정입니다. 추가로 나노입자와 면역세포, 자극 반응형 탐침을 함께 전달한다면 상처 치유 과정의 실시간 모니터링과 전반적 면역 체계 조절을 달성할 수 있어 염증성 질환 분야에서 혁신적 의미를 가질 것으로 생각되며, 이에 대해서 2025년도까지의 기초연구실 후속 연구를 진행할 예정입니다.