줄기세포 배양 ‘나노바늘구조 지지체’ 개발
줄기세포 배양 ‘나노바늘구조 지지체’ 개발
차세대 의료기기 및 줄기세포 치료용 원천 나노소재부품 제시
  • 박정식
  • 승인 2019.10.14 12:00
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[헬스코리아뉴스 / 박정식] 차세대 의료기기 및 줄기세포 치료용 플랫폼에 쓰일 수 있는 나노소재부품이 국내 연구진의 의해 개발됐다.

14일 한국연구재단에 따르면 전남대 김장효 교수와 울산과학기술원(UNIST) 정훈의 교수 연구팀은 줄기세포의 기능을 촉진시킬 수 있는 나노바늘 구조형 생체소재 부품 기술을 개발했다.

하이드로젤 소재의 나노바늘 구조의 지지체에 줄기세포를 배양해 성장인자 분비를 촉진하고 뼈, 연골, 지방 등의 특정 세포로의 분화를 향상시켜 조직을 효과적으로 재생시킬 수 있음을 확인한 것이다.

이를 위해 연구팀은 줄기세포에 적절한 구조적 자극을 전달할 수 있도록 반도체 공정을 이용, 직경 50nm, 높이 300nm의 나노바늘을 500nm 간격으로 배열한 나노지압패치를 제작했다.

핵심은 정렬돼 있는 나노바늘이 줄기세포 부착 표면에 적당한 구조적 자극을 줄 수 있으며, 줄기세포의 다양한 기능에 영향을 미친다는 것이다.

실제 나노바늘구조 지압패치에 줄기세포를 배양하고 두개골 손상 쥐에 삽입해 2주 후 관찰한 결과 골 조직 재생이 향상되는 것을 확인했다.

 

나노바늘구조 지압패치의 효과
나노바늘구조 지압패치의 효과

이와 함께 연구팀은 줄기세포 배양 및 의료기기 삽입 수술 시에 문제될 수 있는 박테리아의 바이오필름 형성을 억제할 실마리를 찾아냈다. 나노바늘구조가 상대적으로 큰 줄기세포에 적당한 자극을 줘 줄기세포 기능은 촉진시키면서 작은 박테리아의 막에는 손상을 줘 바이오필름 형성을 억제하는 것이다.

연구팀은 나노바늘구조가 줄기세포와 박테리아에 미치는 영향을 중점적으로 살펴본 이번 연구성과를 발판으로 나노구조체를 이용한 약물전달플랫폼 연구를 지속할 계획이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오·의료기술개발사업과 자연모사혁신기술개발사업 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 미국화학회에서 발행하는 국제학술지 ‘에이씨에스 나노’(ACS NANO) 9월13일자에 게재됐다.

 

아래는 연구팀과의 미니 인터뷰.

 

왼쪽부터 전남대 김장효 교수, UNIST 정훈의 교수
왼쪽부터 전남대 김장효 교수, UNIST 정훈의 교수

◇ 연구를 시작한 계기나 배경은?

줄기세포를 비롯한 다양한 세포는 생체 내에서 복잡한 나노 및 마이크로스케일의 구조적 환경에 노출돼 있고, 이런 미세한 구조에 세포 기능이 민감하게 반응한다고 알려져 있다. 이에 세포에 적당한 자극을 줄 수 있는 나노구조를 개발해 줄기세포 기능을 향상시키고자 했다. 지압기와 같은 구조는 피부에 적당한 자극을 주고 혈액순환을 비롯한 긍정적인 효과를 주는 점에서 세포에도 나노지압구조체를 제공한다면 기능향상에 있어 긍정적인 효과를 제공할 수 있을 것이라고 생각했기 때문이다. 다양한 규격의 나노지압구조체를 이용해 실험을 진행했고 가정했던 것처럼 세포는 나노구조에 민감하게 반응했으며 조직재생 등의 최적의 조건을 찾게 됐다.

 

◇ 연구 전개 과정에 대한 소개

줄기세포에 적당한 자극을 제공하면서 박테리아의 바이오필름 억제가 동시에 가능한 플랫폼을 제작하기 위해 다양한 간격의 나노바늘구조체를 제작했다. 이를 위해 정훈의 교수팀이 가지고 있는 생체모사 미세가공기술과 김장호 교수팀의 생체재료 및 줄기세포기술이 자연스럽게 융합됐고, 다양한 논의 끝에 하이드로젤 타입의 나노바늘구조가 제안됐다.

 

◇ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지?

개발한 기술을 세포 뿐 만 아니라 동물모델을 통해서도 증명해야 했다. 이는 전남대 의대 현훈 교수님의 바이오 이미징 기술과 아주대 의대 정연훈 교수님의 동물실험 평가기술로 해결했다. 공동연구자의 도움이 있어 본 연구수행이 가능했다.

 

◇ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이번 연구는 줄기세포 배양 및 조직재생에 있어 아주 미세하게 제작된 나노구조자극의 중요성을 보여준다. 나노구조의 바늘을 통한 자극을 세포에 줬을 때, 줄기세포의 기능은 활성화되는 반면 박테리아는 사멸하는 것을 확인할 수 있었다. 나노공학과 바이오 분야의 융합을 통해 기존에는 상상하기 어려웠던 기능을 가지고 있는 생체소재부품 기술을 개발한 것에 의의가 있다고 생각한다.

 

◇ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?

줄기세포 기능 향상 및 특정 세포로 분화와 함께 박테리아의 바이오필름을 억제하는 생체소재를 활용한 차세대 임플란트 등의 의료기기 혹은 줄기세포 기반의 바이오의약품 및 조직재생 치료제 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 본 기술을 기반으로 앞으로 다양한 질병 치료 및 조직재생에 특화된 연구가 필요하며 이룰 위한 의료기관 및 산업체와의 긴밀한 협업과 함께 실용화를 위한 국가적 지원이 필요하다.

 

◇ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

본 연구는 나노바늘구조가 줄기세포와 박테리아에 미치는 영향을 중점적으로 확인했다. 이러한 나노구조체를 이용해 약물전달 플랫폼으로서의 가능성도 확인했는데, 이 점을 좀 더 초점을 맞춰 연구를 진행한다면 아주 미세한 곳에도 약물을 전달할 수 있는 새로운 개념의 약물전달 플랫폼 개발이 가능하지 않을까 싶다.

 

◇ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

줄기세포 실험은 많은 시간과 비용이 요구된다. 본 연구를 시작할 때는 동물실험을 하지 않는 방향으로 진행했지만, 논문 투고 후 동물실험으로 본 기술의 효과를 반드시 증명해야 한다는 리뷰어의 코멘트가 있었다. 동물실험을 위해 다른 공동연구팀들이 긴밀하게 도움을 줘서 다행히 본 논문을 잘 마무리 할 수 있었다. 학문적 융합뿐만 아니라 관계의 중요성을 다시금 느낄 수 있었다.


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