화학연·선문대, 나노입자·줄기세포 결합해 뼈 재생률 1.3배 향상

[이데일리 강민구 기자] 한국화학연구원과 선문대 연구진이 나노입자와 줄기세포를 결합해 3차원 뼈 조직 재생을 개선하는 기술을 개발하고, 골절이나 뼈 손상 환자 치료에 활용할 가능성을 제시했다.

화학연은 김기영 박사 연구팀이 하미진 선문대 교수 연구팀과 인체 지방유래 줄기세포와 다공성 실리카 나노입자를 결합해 ‘나노 바이오 하이브리드 세포’를 제작하고, 뼈 형성 능력을 높였다고 26일 밝혔다.

한국화학연구원과 선문대 연구진.(왼쪽 아래부터 시계 반대 방향으로)하미진 선문대 교수, 김기영 화학연 책임연구원, 정원훈 선임연구원, 최경진 연구원.(사진=한국화학연구원)

줄기세포를 활용한 3차원 세포 집합체(스페로이드, 오가노이드 등)는 장기나 조직을 모사하는 데 활용돼 왔다. 하지만 내부에 영양·산소 공급이 부족해 세포가 죽거나, 균일하게 뼈로 분화되지 못하는 문제가 있었다. 이러한 한계로 실제 뼈 재생 치료나 약물 평가에 적용하기 어려웠다.

연구팀은 줄기세포 표면에 나노입자를 고르게 부착해 세포들이 서로 얽혀 안정적인 구형 구조를 형성하도록 유도했다.

나노입자는 줄기세포 사이에서 ‘지지대’와 ‘뼈 형성 촉진제’ 역할을 동시에 한다. 나노입자가 지지체 역할 뿐만 아니라 뼈 형성을 촉진하는 신호물질을 싣고 서서히 방출하며, 줄기세포가 원하는 방향으로 균일하게 분화되도록 유도하는 것이다. 마치 ‘영양제 캡슐’을 등에 짊어진 세포들이 스스로 뼈로 변신하는 것과 같다.

이는 골절 환자의 회복 기간을 단축시키고, 고령화 사회에서 증가하는 골다공증·치매성 골손상 치료에도 활용 가능성을 보여준다.

실험 결과, 나노입자-줄기세포 스페로이드는 기존 방식보다 세포 생존율이 높고, 뼈세포로 균일하게 분화했다. 특히 쥐 두개골 결손 모델에 이식했을 때, 6주 만에 결손 부위의 36%가 새 뼈로 채워져 세포만으로 구성된 스페로이드 대비 약 1.3배 높은 재생률을 보였다.

이번 연구는 동물실험 단계지만, 향후 대형 동물 모델과 임상연구를 거치면 환자 맞춤형 뼈 이식재 개발에 적용할 수 있을 전망이다.

김기영 화학연 박사는 “뼈뿐 아니라 연골, 피부 등 다양한 조직재생에도 확장될 수 있다”고 말했다.

연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘ACS Biomaterials Science & Engineering’에 지난 8월자로 게재됐다.