나노입자 통해 줄기세포 변환 촉진 및 독성 개선

- 줄기세포 분화 과정에서 발생하는 산화 스트레스
- 나노입자로 항산화 유전자와 약물 전달해 효율성 높여

가톨릭대학교 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단에서 ‘줄기세포를 활용한 뼈 치료’에 도움이 될 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 기초의학사업추진단 산하 합성생물학사업단장인 구희범 교수 연구팀은 mRNA와 화학 약물을 동시에 전달하는 나노입자를 개발했다. 이를 통해 중간엽 줄기세포가 뼈 세포로 변하는 과정 및 뼈 재생을 촉진할 수 있다는 것이다.

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줄기세포 치료법, 잠재력과 한계점

줄기세포를 활용한 치료는 여러 질환에 있어 많은 기대를 받는 치료법이다. 줄기세포에는 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 ‘배아줄기세포(ESCs)’, 특정 조직 세포로만 분화할 수 있는 ‘성체줄기세포(Adult Stem Cell)’, 유전자 조작으로 ESCs와 같은 특성을 만든 ‘유도만능 줄기세포(iPSCs)’, 특정 조직에서 발견되는 ‘조직특이 줄기세포(TS Stem Cell)’ 등이 있다.

중간엽 줄기세포(MSC)는 성체줄기세포의 한 유형으로, 주로 뼈, 연골, 지방, 골수 등의 결합 조직에서 발견된다. MSC는 뼈 세포, 연골 세포, 지방 세포 등으로 분화할 수 있다. 손상된 조직이나 장기 재생에 응용할 수 있기 때문에 재생 의학 등 분야에서 높은 관심을 받고 있다.

이러한 잠재력에도 불구하고, 줄기세포에는 고질적인 한계점이 있었다. 여러 형태의 세포로 분화할 가능성이 있기 때문에, 필요한 세포로 변환시키기 위해서는 줄기세포의 특정 경로를 활성화하거나 억제하는 작업이 필요하다. 이를 위해 화학 물질이나 약물이 사용되는데, 이때 약물 때문에 활성산소종(ROS)이 과도하게 만들어질 수 있다.

ROS에 의한 산화 스트레스는 세포에 독이 되는 대표적 현상이다. 이 때문에 세포가 스트레스를 겪을 경우 문제가 생긴다. 줄기세포 자체의 손상을 유발해 기능을 저하시킬 수 있고, 목표로 한 세포로의 변환에 문제가 생길 수도 있다. 혹은 염증 반응을 일으켜 줄기세포의 생존과 기능 유지에 악영향을 끼칠 수도 있다.

나노입자를 활용한 해결책 제시

구희범 교수 연구팀은 이를 해결하기 위해 mRNA와 약물을 한꺼번에 전달하는 방법을 구상했다. 항산화 효과를 지닌 유전자(Nrf2)를 발현시키는 mRNA와 뼈 재생을 돕는 물질(덱사메타손)을 나노입자에 담아 함께 줄기세포에 전달하는 방법이다.

MSC는 특정 세포로 분화하기 시작할 때 성장 인자 등의 신호를 통해 어떤 세포로 변할 것인지 지침을 받는다. 이때 나노입자는 세포막을 쉽게 통과할 수 있으므로, 이를 통해 mRNA와 약물을 전달하면, 독성 등 부작용 없이 목표로 한 세포로 변할 수 있도록 돕는다. mRNA와 약물은 초기 분화 후에도 지속적으로 영향을 미치며 분화 촉진 및 세포 재생 과정을 지원한다.

연구팀은 대퇴골 결함이 유도된 쥐 모델을 활용해 테스트를 진행했다. 쥐에게 나노입자를 주입한 결과, 산화 스트레스로 인한 문제가 발생하지 않으면서도 줄기세포에 의한 뼈 생성이 빠라졌으며 결함을 일으킨 부위가 완전히 치유됐다. 이는 나노입자를 통해 줄기세포 치료의 성공률을 높일 수 있다는 것, 나노입자가 손상된 뼈를 치료하는 데 유용한 도구가 될 수 있다는 것을 보여준다.

연구를 이끈 구희범 교수는 “이번 연구는 나노입자를 통해 줄기세포 내 mRNA를 효과적으로 전달함으로써, 줄기세포 치료의 한계를 극복할 가능성을 열었다”라고 기대감을 내비쳤다. 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지 「ACS Nano」에 온라인 게재됐으며, 11월호 지면에도 게재돼 출판 예정이다.