김종훈·김동성 교수 공동연구팀, 미국화학회 학술지 에이씨에스 나노에 논문 게재
생체 내 환경을 모사한 나노 표면*을 이용하여 당뇨병 치료에 필수적인 세포(췌장베타세포**)를 획기적으로 분화시키는 기술이 개발되었다.
* 나노표면 : 나노(10-9 m) 수준의 구조를 갖는 표면 (예: 머리카락 두께의 1/1000 크기가 100nm임)
** 췌장베타세포 : 체내 혈당을 낮추는 역할을 담당하는 인슐린을 분비하는 세포
한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구, 선도연구센터), 산업통상자원부 산업융합원천기술개발사업의 지원을 받은 김종훈 교수(고려대), 김동성 교수(포항공대) 공동연구팀이 나노 환경을 이용하여 줄기세포***에서 당뇨병 치료에 필수적인 췌장베타세포로 분화시키는 기술을 4배 이상 높이는데 성공했다고 밝혔다.
*** 줄기세포 : 다양한 종류의 세포로 분화가 가능한 세포
연구팀은 다양한 크기의 나노 기공을 갖는 표면을 제작하여 연구한 결과, 특히 200나노미터(nm) 크기의 기공 표면에서 췌장베타세포의 분화 효율이 일반적으로 사용되고 있는 평평한 배양접시에서의 7% 수율 대비 31%까지 높아져 약 4배 향상되었다고 밝혔다.
사람들이 포옹 등 스킨십을 하면 도파민이 분비되어 행복한 기분을 느끼며, 심한 외부 자극을 받으면 스트레스 호르몬이라고 알려진 코르티솔이 분비되어 스트레스를 느끼게 된다. 세포 내에서도 이처럼 외부의 기계적 자극에 대해 세포 내부에서 화학적 신호 변화가 일어나는데 나노표면에서의 췌장세포의 분화 또한 이 원리에 의해 일어났다.
연구팀 연구 결과, 세포 외부 환경과 관련된 TAZ***** 인자 발현은 평면보다 나노구조 상에서 낮아졌고, 췌장세포 분화와 관련된 PDX1****** 인자는 평면보다 향상되었다. 이는 나노구조로부터 발생된 외부 자극이 세포 내부의 TAZ 인자 발현을 억제시키며, 억제된 TAZ 발현은 PDX1 인자의 발현을 증가시켜 췌장세포로의 분화를 향상시키게 된다는 사실을 발견한 것으로 췌장세포 분화와 관련된 일련의 신호 전달 메커니즘을 밝혀낸 것이다.
***** TAZ : 세포 외부 표면으로부터 전해지는 기계적 신호와 관련된 전사 인자
****** PDX1 : 췌장세포로의 세포운명 결정 및 분화에 관련된 전사 인자.
그동안 화학적․생물학적 분화유도 인자를 개발하여 줄기세포로부터 췌장세포로의 분화율을 증가시키려는 시도는 많았으나, 나노표면 구조를 이용한 것은 이번 연구가 처음이다.
김종훈 교수는 “이번 연구성과는 나노구조를 포함한 세포배양용기를 통해 당뇨 치료를 위한 췌장베타세포의 분화수율을 획기적으로 증가시킨 것으로 생물화학적 세포분화법에 요구되는 비용을 큰 폭으로 낮추어 향후 당뇨병 치료에 기여할 수 있을 것이다”라고 연구의 의의를 설명했다.
이 연구성과는 세계적인 학술지 에이씨에스 나노 (ACS Nano)에 3월 22일자에 게재되었다.
논문의 주요 내용
□ 논문명, 저자정보
- 논문명 : Nanotopography Promotes Pancreatic Differentiation of Human Embryonic Stem Cells and Induced Pluripotent Stem Cells
- 저자 정보 : 김종훈 교수(공동교신저자, 고려대) 김동성 교수(공동교신저자, 포항공대), 김종현 박사(공동제1저자, 고려대), 김형우 연구원(공동제1저자, 포항공대)
□ 논문의 주요 내용
1. 연구의 필요성
당뇨병은 체내에 높은 혈당 수치가 오래 지속되는 병으로 다른 합병증을 유발시킬 수 있는 심각한 병이다. 현대에는 가장 심각한 만성 질병으로 꼽히며, 우리나라 30세 이상 성인 중 약 10%가 겪는 병이다.
이러한 당뇨병을 치료하기 위해서는 혈당을 낮춰 줄 수 있는 인슐린의 지속적인 주입이 필수적이다. 당뇨병이 심각한 경우 췌도 혹은 베타세포를 이식 받아 보다 근본적인 치료를 이룰 수 있으나 현재로서는 성공률이 높지 않고 이식용 췌도 및 세포의 공급이 수요를 충족하지 못하고 있는 실정이다.
* 베타세포 : 이자에 존재하는 세포로 인슐린을 만드는 세포
인간배아줄기세포 및 유도만능줄기세포는 증식력이 높고 췌장베타세포를 포함한 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 전분화능*을 가지고 있어, 불치병 치료를 가능하게 하는 잠재력을 가지고 있다. 따라서 줄기세포의 췌장세포로의 분화를 효율적으로 조절할 수 있다면 앞서 언급한 한계점을 극복하여 보다 효과적으로 당뇨병 치료에 사용할 수 있을 것이다.
* 전분화능 : 인체 내 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력
줄기세포의 분화를 조절하는 방법으로는 성장인자, 호르몬, 사이토카인 등을 주입하는 다양한 화학적 방법이 있다. 그러나 화학적 방법만으로는 췌장세포로의 분화 효율에 한계가 있으며, 분화인자의 값이 매우 비싸다는 단점이 있다.
2. 발견 원리
최근에 줄기세포의 분화를 조절하기 위한 방법으로는 화학적 방법과 더불어 생체 내 환경을 모사한 삼차원 배양 및 나노구조 환경 등을 제공하는 방법이 대두되고 있다.
현재 일반적으로 사용되고 있는 세포배양용기는 세포가 자라는 표면이 매끈한 평면으로 되어 있으나, 실제로 생체 조직 내에서는 세포들이 세포외기질 등 주변에 나노 및 마이크로 스케일의 여러 입체적 구조물에 접한 상태로 분열하고 분화된다.
이러한 점에 착안하여 연구팀은 기존의 매끄러운 표면을 포함하는 세포배양용기와 여러 크기의 나노구조로 구성된 표면을 비교 분석한 결과, 특정 크기(200나노미터)의 나노구조를 포함하는 세포배양용기를 이용하면 줄기세포로부터 췌장세포로의 분화 효율을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다는 것을 발견하였다.
3. 연구 성과
이 연구에서는 나노구조를 갖는 세포배양용기의 대량생산기술을 개발하였고, 나노구조가 인간배아줄기세포, 유도만능줄기세포로부터 췌장세포로의 분화를 크게 촉진시킨다는 것을 확인하였다.
다양한 크기의 나노 기공을 갖는 표면을 제작하여(130, 170, 200, 230nm) 줄기세포의 분화 효율을 살펴본 결과, 200nm 크기의 나노 기공을 갖는 표면에서 췌장베타세포의 분화 효율이 평평한 기존의 표면 대비 약 4배 가량 향상되었음을 확인하였다.
더불어 세포 외부로부터 전해지는 기계적 신호를 화학적 신호로 변환시키는 역학전이(mechanotransduction)에 연관된 주요 인자인 TAZ가 나노구조 상에서 평면 대비 감소하는 것을 확인하였으며, TAZ의 감소로 인해 췌장세포에서 발현되는 PDX1 인자의 발현이 증가하는 것을 확인하였다. 결론적으로 나노구조가 TAZ의 발현을 억제하며, 억제된 TAZ 발현이 PDX1 인자의 발현을 증가시켜 췌장세포의 분화를 향상시키게 된다는 일련의 신호 전달 메커니즘을 제시하였다.
나노구조를 갖는 세포배양용기를 통해 얻어진 줄기세포의 향상된 분화 효율은 당뇨병 치료에 필요한 세포치료제의 개발 원가를 절감할 수 있으며, 동일한 비용으로 줄기세포로부터 더 많은 췌장세포를 획득할 수 있어 효율적인 세포치료제 개발이 가능하다. 또한 이러한 줄기세포 분화 기술을 다른 특정 세포로의 분화 연구에 적용할 경우 당뇨병 세포치료제 뿐만 아니라 다른 불치병 세포치료제의 개발도 역시 촉진할 수 있을 것으로 기대된다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
인간 배아줄기세포 및 유도만능줄기세포는 전분화능을 가지는 세포로 모든 종류의 세포로 분화할 수 있어 손상된 장기를 대체하거나 불치병 치료를 가능하게 하는 잠재력을 갖고 있다. 국내외 연구진들은 줄기세포를 원하는 특정 세포로 분화시키기 위해 성장인자, 호르몬, 사이토카인 등을 처리하는 등 주로 화학적 방법을 개발해 왔다. 그러나 화학적 방법만으로는 분화 효율에 한계가 있고, 큰 비용이 요구되는 단점이 있다. 최근에는 줄기세포에 화학적 방법과 더불어 생체 내 환경을 모사한 나노구조 환경을 제공하여 특정 세포로의 분화 효율을 향상시키고자 하는 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구를 위해서는 다수의 나노구조를 포함한 세포배양용기 제작이 필수적이며, 이를 대량생산하기 위한 원천기술이 필요하다.
당뇨병은 체내에 높은 혈당 수치가 오래 지속됨으로 다른 합병증을 유발할 수 있는 병으로 현대에서 가장 중요한 만성 질병으로 꼽히는 병이다. 우리나라 30세 이상 성인 중 약 10%가 겪는 병이다. 특히 1형 당뇨병은 췌장세포가 체내의 혈당을 낮춰 주는 인슐린을 만들어내지 못할 때 발생한다. 당뇨병을 치료하기 위해서는 지속적인 인슐린 주입이 필수적이며, 증상이 심한 경우 췌장 이식을 받아야 한다. 미래치료법으로 가장 각광받는 방법은 줄기세포로부터 분화된 췌장세포를 획득하여, 지속적인 인슐린을 생성을 위해 체내에 주입하는 세포치료법이다. 이를 위하여 세계적으로 줄기세포로부터 인슐린 분비성 췌장베타세포를 분화시키기 위한 연구가 진행 중이나, 분화된 베타세포의 생산율 및 기능성이 낮다는 한계점이 있다.
따라서 연구팀은 이러한 한계를 극복하고자 나노구조를 포함하는 세포배양용기의 대량생산 원천기술을 개발하여 줄기세포에 생체 모사 환경을 제공하였고, 인간 배아줄기세포 및 유도만능 줄기세포를 췌장세포로 분화시키는 원천 연구를 수행하였다.
2. 연구내용
연구팀은 생체 내 환경을 모사한 나노구조를 갖는 세포배양용기의 대량생산 기술을 개발하여, 나노구조가 인간 배아줄기세포, 유도만능줄기세포의 췌장세포로의 분화를 촉진시킨다는 것을 확인하였다. 다양한 크기의 나노구조가 줄기세포의 분화에 미치는 영향을 확인하기 위해 서로 다른 나노 기공 크기 (130, 170, 200, 230nm)를 갖는 표면을 제작하였다. 이 중에 200 nm 크기의 기공을 갖는 표면에서 췌장베타세포의 분화 효율이 가장 향상되었고, 평평한 기존 표면 대비 약 4배의 분화 효율 향상을 확인하였다. 또한 세포 외부로부터 전해지는 기계적 신호를 화학적 신호로 변환시키는 역학전이(mechanotransduction)에 연관된 중요인자인 TAZ가 췌장세포에서 발현되는 PDX1 유전자와 긴밀한 관계가 있다는 것을 확인하였다. 개발된 나노 구조를 포함하는 세포배양용기의 대량생산 원천기술을 응용하면 이 연구에서 제시한 췌장세포의 분화뿐 아니라 다양한 특정 세포로의 분화 효율을 높이는 연구에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
3. 기대효과
대량생산된 나노구조를 포함하는 세포배양용기를 통해 전분화능을 갖는 줄기세포로부터 췌장베타세포로의 생산 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 향상된 분화 효율은 당뇨병 치료에 필요한 세포치료제의 개발 원가를 절감할 수 있으며, 동일한 비용으로 줄기세포로부터 더 많은 췌장세포를 획득할 수 있다. 전 세계적인 당뇨병 환자 수를 고려할 때 산업적인 파급 효과가 매우 클 것으로 예상된다. 또한 나노구조를 포함하는 세포배양용기의 대량생산 기술을 응용하여 다른 특정 세포로의 연구를 수행한다면, 효율적이고 체계적인 줄기세포 연구와 조직공학 연구가 기대되며, 줄기세포/재생의학 등에 적용되는 원천기술 확보가 가능하다.
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
최근 줄기세포의 거동을 제어하기 위해 다양한 나노구조 상에서 줄기세포 관련 연구가 국내외 연구그룹들에 의해 활발하게 진행되고 있다. 이러한 연구를 본격적으로 수행하기 위해서는 재현성을 확보해야 하며, 그 작용 원리를 밝혀내기 위해서는 많은 실험을 수행해야 한다. 이를 위해서는 나노구조를 포함하는 세포배양용기 샘플의 대량생산이 필수적이며, 국내외를 통틀어 이러한 대량생산 기반기술을 갖고 있는 연구진은 포항공대 김동성 교수팀이 유일하였다. 나노구조를 포함하는 세포배양용기의 샘플을 대량으로 준비할 수 있다면 줄기세포의 특정 세포 분화 관련 연구를 심화적으로 수행할 수 있을 것이라 생각하였다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
이 연구는 두 연구실의 공동연구로 진행된 결과이다. 포항공대 김동성 교수팀은 나노구조를 갖는 세포배양용기의 대량생산기술을 개발하여 줄기세포 실험에 필요한 많은 양의 샘플을 제공하였다. 고려대 김종훈 교수팀은 인간 전분화능 줄기세포의 췌장세포 및 간세포 분화 등을 전문적으로 다뤄왔기 때문에 제공받은 샘플을 이용하여 인간배아줄기세포 및 유도만능줄기세포로부터 췌장세포로의 분화 효율 향상 연구를 수행하였다. 또한 나노구조상에서 효율이 향상되는 원리에 대해 그 메커니즘을 제시하기 위해 노력하였다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
이 연구는 기계공학, 생명공학의 서로 다른 두 분야의 전문가가 협업을 통해서 이루어 낸 융합연구의 결과이다. 연구초기에는 서로 다른 학문 분야에 대한 이해가 부족했기 때문에 실험을 위한 샘플 준비 및 실험 과정에서 많은 시행착오가 있었다. 특히 초기 줄기세포 실험의 조건을 설정할 때, 세포 가 나노표면에 쉽게 부착이 안 되어 이를 해결하기 위하여 서로 전화 및 메일을 통해 활발한 의견 교환을 하였고, 직접 만나 회의를 통해 아이디어를 도출하기도 하였다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
기존의 줄기세포를 이용한 연구와 가장 다른 점은 전분화능을 갖는 인간배아줄기세포, 인간유도만능줄기세포를 나노구조 표면을 이용하여 췌장세포로 분화시켰다는 점이다. 따라서 본 성과의 핵심은 줄기세포분화 자체보다는 나노구조 표면의 활용에 더 큰 의미가 있다고 생각된다. 연구팀이 제시하는 나노구조를 포함하는 세포배양용기를 이용하면 보다 효율적으로 췌장세포 분화를 조절할 수 있음을 밝혔다. 특히, 나노구조를 통해 기존에 사용되어 온 세포 배양용기에서 나타나는 약 7% 정도의 췌장베타세포로의 분화 수율을 31%(약 4배)까지 증가시키는 것이 가능하며, 이러한 세포 역학전이 관련된 TAZ 전사 인자의 발현 감소와 함께 췌장세포 분화와 관련된 PDX1 인자의 효율이 향상되는 것을 확인함으로써 나노구조가 줄기세포의 분화를 향상시키는 원리에 대해 그 메커니즘을 제시하였다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
줄기세포 기반 세포치료제 개발 관련 연구는 불치병 치료를 가능하게 하는 잠재력을 갖고 있다. 이 연구에서는 당뇨병을 치료하기 위한 췌장세포로의 분화 연구를 수행하였으나, 추후 지속적으로 모든 세포로 분화할 수 있는 줄기세포의 특성을 이용하여 췌장세포 이외 다양한 종류의 세포로의 분화 연구를 수행하고자 한다. 특히 이번 연구에 사용된 나노 구조를 포함하는 세포배양용기는 대량생산이 가능하기 때문에 전분화능을 갖는 줄기세포의 분화 연구에 폭넓게 사용될 수 있을 것으로 생각되며, 나아가 췌장 세포 분화 뿐 아니라 다른 불치병 치료에 적용이 가능한 세포들의 분화 향상 연구를 통해 다양한 불치병의 치료에 기여하고자 한다.
용 어 설 명
1. 에이씨에스 나노(ACS Nano) 誌
에이씨에스 나노 (ACS Nano)는 미국화학회가 발간하는 나노과학, 나노기술 분야의 세계적 권위를 갖는 학술지로써, 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 영향지수 (impact factor) 12.881 를 가지고 있다.
2. 인간배아줄기세포,
착상 전 배아단계에서 추출한 세포로 인체의 모든 장기에 존재하는 대부분의 세포로 분화할 수 있는 만능성을 가진 세포
3. 인간유도만능줄기세포
인간 체세포에 역분화 관련 유전자를 주입하여 배아줄기세포처럼 만능성을 인위적으로 유도해 낸 세포
4. TAZ
세포 외부 표면으로부터 전해지는 기계적 신호와 관련된 전사 인자
5. PDX1
췌장세포로의 세포운명 결정 및 분화에 관련된 전사 인자
그 림 설 명
그림 1. 나노구조를 포함한 세포배양 용기의 대량생산 공정 모식도
연구팀은 (A) 알루미늄 양극산화(Aluminum Anodic Oxide; AAO)공정을 통해 나노기공을 갖는 AAO 나노템플릿을 제작하였다. (B) 나노전주도금 공정을 통해 (C) 고온/고압에 버텨 대량생산기술의 기반이 되는 나노 몰드 인서트를 제작하였다. 제작된 나노 몰드 인서트를 이용하여 (D-1) 열과 압력을 주어 성형하는 나노임프린트 공정, (D-2) 나노사출성형 공정을 통해 나노구조를 포함하는 세포배양용기의 대량생산기술을 확보하였다. (E,F) 제작된 표면에 표면처리를 통해 세포 부착력을 높였으며, 마지막으로 (G) 제작된 세포배양용기 표면은 나노기공 구조를 가지고 있다.
그림 2. 나노구조 표면상에서 줄기세포의 췌장세포 분화 효율이 향상됨.
실험 대조군인 평평한 면(FL)에 비하여 나노구조 표면(NPo) 상에서 줄기세포가 췌장세포로의 분화에 결정적 역할을 하는 전사 인자인 PDX1을 발현하는 세포로 더 많이 분화되어, 평평한 면 대비 약 3배의 췌장전구세포(윗 그림), 그리고 인슐린을 분비하는 췌장베타세포로는 4배의 분화 효율이 향상됨(아랫 그림)을 확인하였다.
그림 3. 나노구조 표면상에서 PDX1 발현되는 메커니즘
나노구조 표면상에서 세포역학전이(mechanotransduction)과 관련된 전사 인자인 TAZ와 췌장세포 성장과 관련된 전사 인자인 PDX1이 긴밀한 관계를 갖고 있으며, TAZ가 감소함에 따라 PDX1 유전자 발현을 증가시킨다는 것을 확인하였다.
