화학공학/고분자공학부 방석호 교수, 질환치료용 줄기세포 효능 극대화를 위한 미세구조 패치 개발

- 2, 3차원 동시 세포배양 미세구조 패치 제조 기술

- 최적화된 광 조사 기반 세포 치료능 강화 및 기전 규명

▲ (왼쪽부터) 방석호 교수(교신저자), 서인우 석사과정생(제1저자), 김성원 박사

화학공학/고분자공학부 방석호 교수 연구팀은 줄기세포의 2차원 및 3차원 동시 세포배양과 전달이 가능하고, 최적화된 광 조사를 통한 줄기세포의 질환치료 효과가 증진되는 미세구조 패치를 개발하였다.

줄기세포치료 분야에서 세포 스페로이드(spheroid)는 다수의 세포가 응집된 형태를 가진 구형의 세포 집합체로서, 우수한 세포 생존율과 혈관신생 특성으로 인해 조직공학 연구 전반에 활용되고 있다. 하지만 낮은 세포외기질(extracellular matrix) 특성으로 인해 조직 치유 효과가 저해된다는 문제점이 있었다. 방석호 교수 연구팀은 세포외기질 보존 특성을 가진 세포 시트(cell sheet)와 스페로이드를 결합하여 기존 스페로이드 치료의 생착률을 증가시키고 치료적 한계를 극복하는 방법을 개발하였다.

방 교수 연구팀은 생체적합 폴리머 폴리디메틸실록산(PDMS) 소재와 미세 제조기술을 활용하여 줄기세포 시트-스페로이드 복합체를 한 번에 배양하고, 형태를 유지할 수 있는 마이크로 구조 패치를 적용했다. 2차원 세포 시트에 수백 개의 3차원 스페로이드가 결합된 형태의 줄기세포 복합체는 높은 세포 담지 효율을 보였으며, 혈관내피 성장인자 및 저산소증 유발 인자 등의 세포 내 메커니즘을 활성화시켜 조직 치유 효과를 향상시킬 수 있었다.

연구팀이 개발한 이중 구조 줄기세포 복합체는 우수한 항산화 능력으로 인한 높은 활성산소종(reactive oxygen species, ROS) 내성을 보였다. 이에 연구팀은 최적화된 적색광 조사를 적용함으로써, 세포독성 없이 ROS 수준을 제어하고, 줄기세포의 생존력과 혈관신생 효능을 한층 더 강화할 수 있는 치료기법을 확립했다. 또한 대표적인 세포외기질 인자인 피브로넥틴(fibronectin)의 상향 조절과 관련된 분자생물학적 치료효능 강화기전을 이번 논고를 통해 규명하였다.

방석호 교수 연구팀은 다양한 파장대의 빛을 세포에 적용하여 세포 미세환경을 제어하고, 질환 치료효능을 향상시키는 연구를 수행하고 있으며, 다양한 변수의 제어를 통해 최적화된 광 조사 기법을 제시한 바 있다.

동물모델의 상처 부위에 줄기세포 복합체를 담지한 마이크로 패치를 부착한 결과, 세포 분리과정의 단계를 배제시킨 효율적인 전달이 가능하였으며, 비약적으로 증진된 세포 생존 및 혈관신생능으로 인해 조직 재생효과가 크게 증가되었다.

방석호 교수는 “본 연구를 통해 개발된 패치-세포 전달 플랫폼은 기존 세포 치료제의 한계를 극복하고, 다양한 허혈성 질환으로 적용 범위를 넓힐 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다.

해당 연구 결과는 ACS Applied Materials & Interfaces(IF: 10.383)에 2월 22일(수) 게재되었다.

※ 논문제목: Fibronectin-enriched interface using spheroids converged cell sheet for effective wound healing

※ 저널: ACS Applied Materials & Interfaces

※ DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.2c20597