▲ 자성나노입자 기반 3차원 인간배아세포체 크기조절 및 신경분화유도 증진 (사진=한양대 제공)

 

[메디컬투데이=이재혁 기자] 한양대학교 생명공학과 박희호 교수가 만능성 줄기세포(pluripotent stem cells, PSCs)를 신경세포로 분화유도하는 데 걸리는 시간을 획기적으로 단축하는 효율적인 분화유도 방법을 마련했다고 7일 밝혔다.

해당 기술은 자성나노입자(magnetic nanoparticcles, MNPs) 및 집중된 자기력 시스템을 이용해 부유하는 만능성 줄기세포를 3차원상의 한 지점에 응집시킴으로써 3차원 인간배아세포체(embryoid bodies, EBs)를 효과적으로 구현하고 이를 통해 만능성 줄기세포의 신경세포로의 분화 효율을 극대화한 플랫폼이다.

재생의학적 관점에서 한번 손상되면 회복이 어려운 뇌, 심장과 같은 기관의 세포들은 오랜 기간 줄기세포 연구의 주요한 타겟이 되어왔다. 그러나 배아줄기세포(embryonic stem cells, ESCs)와 같은 만능성 줄기세포를 의도하는 방향으로 분화유도하고, 나아가 신경세포와 같은 특정 세포 종류로 성숙시키는 데에는 여전히 기술적인 한계가 존재한다. 특히, 분화유도 과정에서 요구되는 복잡한 단계 및 긴 시간은 극복해야 하는 요인 중 하나다.

본 연구는 인간배아줄기세포를 초기신경세포로 분화 유도하는 효율을 극대화함으로써 신경분화에 걸리는 시간·단계·비용 등을 현저하게 낮추고자 하는 목적에서 고안되었다.

박 교수 연구팀은 앞선 연구 결과를 통해 자성나노입자 기반의 자기력 집중 시스템을 이용하여 구현된 3차원 인간배아세포체의 크기(diameter of EB)에 따라 초기 배엽성이 결정된다는 결과를 발견한 바 있다. 이를 근거로 자성나노입자 및 자기력 집중 시스템을 이용해 3차원 인간배아세포체의 크기를 지름 300 um 이하로 조절하여, 신경세포로 분화시키기 용이한 외배엽성(ectodermal) 세포로 유도함과 동시에 신경분화 배지를 이용해 초기 신경분화 효율을 크게 증가시켰다.

그 결과 기존 2차원상에서 시행되던 초기신경분화를 자기력 기반의 3차원상에서 진행함으로써 평균 2주가량이 소요되던 신경가지형성(outgrowth) 과정을 5일로 단축했다. 

 

추가로 이와 같은 신경분화 효율증대에 직접적으로 영향을 미친 요인을 분석한 결과 ‘3차원’과 ‘자성나노입자’가 함께 시너지 효과를 낸 것으로 나타났다. 특히 자성나노입자가 도입된 세포가 자기력 집중 시스템 안에 들어가면서 세포 간 상호작용이 활발해진 것(mechanotransduction)이 가장 크게 신경분화 효율 증대에 기여한 것으로 확인됐다.

박희호 교수는 “이번 연구를 통해 만능성 줄기세포가 신경세포로 분화하는 데 있어, 기존에 오랫동안 주목을 받아온 생물화학적 인자들뿐만 아니라 물리적인 환경과 조건도 매우 중요하다는 사실을 확인할 수 있었다”며 “이러한 고찰은 초기신경세포 분화유도에서 나아가 성숙한 뇌 조직 구현에도 적용이 가능할 것으로 사료된다”고 말했다.

한국연구재단의 기초연구실 지원사업, 우수신진 연구자지원사업, 그리고 다부처(산업통상자원부, 과학기술정보통신부)의 3D생체조직칩 기반 신약개발 플랫폼구축사업의 지원을 받아 진행된 이번 연구는 서울대학교 박태현 명예교수 연구팀이 공동으로 참여했다. 

 

해당 논문 'Improved Neural Inductivity of Size-Controlled 3D Human Embryonic Stem Cells Using Magnetic Nanoparticles'는 세계적 학술지인 'Biomaterials Research'(IF 11.3, Engineering 분야 상위 5%)에 지난 3월 게재됐다. 

 

메디컬투데이 이재혁 기자(dlwogur93@mdtoday.co.kr)

[저작권자ⓒ 메디컬투데이. 무단전재-재배포 금지]