고려대학교(총장 정진택) 신소재공학부 연구팀이 임플란트 소재 표면에서 실시간 원격으로 세포의 부착과 분화를 조절할 수 있는 생체내 나노코일 시스템을 개발했다.

사진=[그림]생체 내 나노코일 제어 시스템의 모식도

이번 연구는 국제학술지 Advanced Materials(Impact Factor: 27.398)에 제1저자 민선홍 석박사통합과정생, 제1저자 고민준 석박사통합과정생, 교신저자 김영근 교수, 교신저자 강희민 교수 순으로 2월 3일(한국시간 기준) 게재됐다.

* 논문명: Remote Control of Time-Regulated Stretching of Ligand-Presenting Nanocoils In Situ Regulates the Cyclic Adhesion and DIfferentiation of Stem Cells

사진[그림2]생체내 리간드 간격에 따른 줄기세포 제어 시스템의 모식도

 줄기세포는 주변 환경을 감지하며 그 환경에 맞는 조직 세포로 분화할 수 있다. 이런 특성을 이용하여 뼈, 지방, 근육, 심근, 혈관, 연골 등 다양한 기관 조직 세포로 분화를 유도할 수 있어 재생 의학 및 공학 분야에서 주목받고 있다. 그러나 체내에서 줄기세포의 부착에 대한 조절뿐만 아니라 분화에 대한 조절이 원활하지 않다는 문제점이 있다.

* 줄기세포 : 상대적으로 미분화된 세포로 주변 환경에 따라 특정 세포로의 분화가 가능하기 때문에, 생체 재생, 인공 장기 형성, 세포 치료 등 환자 맞춤형 치료를 위한 핵심 세포로 각광받고 있음

연구팀은 전기도금을 이용하여 제작된 코발트-철 자성 나노코일을 활용하여 임플란트 소재 표면 위에서 외부 자기장으로 세포 부착성 RGD 리간드의 간격을 가역적으로 실시간 원격 조절할 수 있는 나노코일 시스템을 이용한 줄기세포의 부착 및 분화의 조절이 가능한 시스템을 개발했다.

* 코발트-철 자성 나노코일: 약 70 nm 두께의 나노선이 외경 180 nm, 총 길이 1 μm로 꼬인 나선형 구조로, 자기장을 걸면 신장하고, 자기장이 없으면 원래 길이로 수축하는 가역적인 특성을 갖는 나노구조

* RGD 리간드: 세포 부착을 매개하게 하는 세포외 기질(Extracellular Matrix)의 단백질 중 파이브로넥틴의 아미노산 서열. 세포막에 존재하는 수용체 인테그린(integrin)은 RGD 리간드를 인지하고 세포가 부착되도록 함

 나노코일은 생체 내외에서 자기장을 이용하여 실시간 원격으로 RGD 리간드의 간격을 나노미터 수준으로 정밀하게 조절할 수 있도록 유도됐으며, 자기장에 의해 나노코일이 신장하여 RGD 리간드가 넓은 간격으로 제시될 때 줄기세포의 부착율과 골세포로의 분화율이 성공적으로 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

 환자의 상황에 맞추어 치료 시점을 원격으로 제어할 수 있는 나노코일 시스템의 개발로 임플란트 소재의 생체내 줄기세포의 정밀 제어 가능성을 검증한 데 의의가 있으며, 맞춤형 줄기세포 치료의 상용화 가능성을 제시했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 신진 연구자지원사업 및 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다.