기온이 뚝 떨어지면서 무릎 통증을 호소하는 사람들이 늘어나고 있다. 계단을 오르내리거나 앉았다 일어설 때 무릎이 시큰거리거나 뼈마디가 시리다고 느끼는 사람들에게는 월동준비가 시급하다. 

최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 무릎 연골의 미세구조를 그대로 재현한 연골모방조직을 구현하는데 성공함으로써 무릎 통증을 호소하는 사람들에게 반가운 월동 채비가 될 것으로 기대된다. 

POSTECH 신소재공학과 이준민 교수팀과 美 일리노이대학교 테라사키 연구소 연구팀과 공동연구를 통해 무릎 연골의 줄기세포를 둘러싸는 PCM-ECM 미세역학적 구조를 구현해냈다. 이 연구는 재료과학 분야 국제학술지 '매터'(Matter)에 게재됐다. 
  
무릎 연골의 연골세포는 얇고 부드러운 세포 주위 매트릭스로 둘러싸여 있으며, 이는 다시 매우 단단한 세포 외 기질로 둘러싸인 미세구조를 갖고 있다. 하지만 지금까지 연구들은 이러한 실제 무릎 연골에 존재하는 미세구조를 구현하지 못한 체 부드럽거나 혹은 단단한 단일의 매트릭스로 구성된 연골모방조직을 개발하는 데 그쳤다. 
 
한편, 손상된 연골은 혈액 공급의 제한과 관절 내의 연골 세포 수의 제한으로 스스로 치유하기가 어렵다. 현재 사용되는 치료방법에는 환자의 온전한 연골을 손상된 관절로 이식하는 모자이크 성형술이나, 손상된 연골 아래 뼈에 작은 구멍을 만들어 손상된 관절로의 혈류 증가하는 미세골절 방식 또는 환자 자신의 연골 세포 자가이식이 포함된다. 이러한 치료방법은 비용이 많이 들고 손상된 관절의 기능을 적절하게 복원하지 못한다는 한계를 갖고 있다. 

하지만, 연골 복구를 위한 더 나은 선택은 연골 세포를 포함하여 다양한 유형의 세포로 재생 및 분화할 수 있는 성체줄기세포를 사용하는 방법이다. 환자의 성체줄기세포를 사용하면 보다 효과적인 연골 재생을 위해 이식을 가능하게 할 수 있다. 

이번 연구에서는 생체모방기술에 근거하여 성체줄기세포를 이용해 무릎연골의 미세구조를 모방하고, 실제 무릎에 가해지는 다이나믹한 기계적 압축 자극을 가해줄 수 있는 시스템을 개발했다. 연구팀은 이 기술을 통해 세포 주위 기질과 세포 외 기질의 단단함 정도의 차이를 미세하게 조절할 수 있으며, 이렇게 생긴 미세한 기계적 단단함의 차이에 의해 줄기세포를 이식 및 재생에 반드시 필요한 연골세포 혹은 불필요한 비대 연골세포로의 분화를 조절할 수 있었다. 

연구를 주도한 이준민 교수는 “이번 연구는 실제 무릎 연골 환경과 굉장히 유사한 미세구조를 생체재료의 공학적 설계를 통해 구현하였다는 점에서 의의가 있다”며, “이렇게 구현된 생체모방형 미세구조 내에서 줄기세포의 연골세포로의 분화를 정확하게 조절함으로써 앞으로 연골 이식이나 재생의 성공 가능성을 높이는데 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이 연구는 4단계 BK21 사업, 기본연구지원사업의 지원으로 이뤄졌다. 

논문명 
Micromechanical property mismatch between pericellular and extracellular matrices regulates stem cell articular and hypertrophic chondrogenesis(세포 주위 기질과 세포 외 기질 사이의 미세기계적 특성 불일치에 따른 줄기세포의 연골세포로의 분화 조절)
연구자 
이준민 교수(교신 & 1저자), 전오주 박사(공동1저자), 에벤 알스베르흐(Eben Alsberg, 공동교신), 알리 카뎀호세이니 교수(Ali Khademhosseini, 공동교신)
DOI
https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.11.008