차세대 나노입자·줄기세포 복합체...국내 연구진, 뼈 재생 새 지평

기존 세포 집합체, 불균일 분화·세포 사멸 한계
나노입자 융합 줄기세포 스페로이드로 기술로
뼈 재생률 1.3배 향상... “다른 조직에도 적용”

한국화학연구원 및 선문대의 연구팀이 나노입자·줄기세포 복합체를 합성하는 실험을 하고 있다. 한국화학연구원 제공

나노입자와 줄기세포를 결합해 3차원 뼈 조직 재생을 크게 개선하는 기술을 국내 연구진이 개발했다. 이를 통해 골절이나 뼈 손상 환자의 치료뿐 아니라 차세대 조직재생 의학 분야에 중요한 전환점을 맞게 될 것으로 기대된다.

26일 한국화학연구원에 따르면 화학연 김기영 박사 및 선문대 하미진 교수 공동 연구팀은 인체 지방유래 줄기세포(hADMSC)와 다공성 실리카 나노입자(mSiO₂)를 결합해 ‘나노 바이오 하이브리드 세포’를 제작, 뼈 형성 능력을 높이는 데 성공했다.

앞서부터 줄기세포를 활용한 3차원 세포 집합체(스페로이드, 오가노이드 등)는 장기나 조직을 모사하는 데 활용돼 왔다. 그러나 화학연 관게자는 “세포 집합체 내부에 영양·산소 공급이 부족해 세포가 죽거나, 균일하게 뼈로 분화되지 못하는 문제가 있었다”며 “이러한 한계 때문에 실제 뼈 재생 치료나 약물 평가에 적용하기 어려웠다”고 기적했다.

이에 김 박사 및 하 교수 연구팀은 줄기세포 표면에 나노입자를 고르게 부착해 세포들이 서로 얽혀 안정적인 구형 구조를 형성하도록 유도했다. 이러한 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. 화학연 측은 “마치 ‘영양제 캡슐’을 등에 짊어진 세포들이 스스로 뼈로 변신하는 것과 같다”며 “이는 골절 환자의 회복 기간을 단축하고 고령화 사회에서 증가하는 골다공증·치매성 골손상 치료에도 활용 가능성을 보여준다”고 설명했다.

연구팀 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. 김 박사는 “뼈 뿐만 아니라 연골, 피부 등 다양한 조직재생에도 확장될 수 있다”고 강조했다. 이영국 화학연 원장은 “줄기세포 기반 조직재생 기술을 통해 고령화 사회에 증가하는 골절 환자 치료에 기여할 수 있길 바란다”라고 말했다.

이번 연구 성과는 재료 분야 국제학술지인 ‘미국 화학회 생체재료과학 및 공학’에 지난 8월 게재됐다. 김 박사가 교신저자로, 하 교수가 1저자로 참여했다. 또 해당 연구는 화학연 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 개인연구지원사업 및 산업통상부의 우수기업연구소육성사업의 지원으로 수행됐다.

박준희 기자