‘나노 용수철’로 환자맞춤형 줄기세포 제어 길 열려

▲나노코일을 이용해 임플란트 소재 표면 위에서 리간드의 간격을 자기장으로 정밀하게 제어할 수 있는 나노크기의 신장·수축을 통한 줄기세포의 부착 및 분화의 조절이 가능한 시스템의 모식도. (사진제공=과학기술정보통신부)

눈에 잘 보이지도 않는 ‘나노 용수철’로 실시간 줄기세포 분화를 제어하는 길이 열렸다.

과학기술정보통신부는 강희민, 김영근 교수(고려대학교 신소재공학부) 공동 연구팀이 임플란트 소재 표면에서 실시간 원격제어로 생체 내 세포의 부착과 분화를 조절할 수 있는 자성 나노 코일 시스템을 개발했다고 3일 밝혔다.

줄기세포를 특정 환경이나 신호에 노출해 뼈, 지방, 근육, 심근, 혈관, 연골 등 원하는 조직으로 분화를 유도하려는 연구가 인공장기나 세포치료 등을 위한 재생의학 분야에서 활발하다. 특히 골다공증, 골연화증, 퇴행성 골질환 등의 치료를 도울 수 있는 단단한 임플란트 구조물의 표면에서 줄기세포를 자극하려는 연구가 이뤄지고 있지만 실시간 원격으로 분화를 제어하는 데 어려움이 있었다. 가역적 제어라는 측면에서도 숙제가 남아 있었다.

연구진은 마치 용수철처럼 자기장에 의해 길이가 늘어났다가(원래 길이의 126%) 자기장 인가를 멈추면 다시 원래 길이로 돌아오는 1μm(마이크로미터) 남짓(두께 70nm)한 나선형 합금 나노 코일을 제작했다. 나노 코일은 생체 내외에서 자기장을 이용해 나노미터 수준으로 정밀하게 조절할 수 있으며, 세포 내부로 함입되거나 부러지지 않는 기계적 강도를 갖고 있어 생체 내에서도 가역적으로 신축할 수 있는 특성을 갖는다.

연구진은 자기장에 반응하는 나노 코일 표면에 세포와 결합할 수 있는 RGD 리간드를 코팅하고 자기장으로 리간드의 간격을 가역적으로 실시간 원격 조절해 줄기세포의 부착 및 분화를 조절하는 시스템을 제안했다. 실제 쥐에 이식한 이후, 외부에서 자기장을 인가해 생체 내 삽입된 나노 코일을 늘어나게 한 경우 줄기세포의 부착이 촉진됐고 줄기세포의 골분화도 촉진된 것을 확인했다.

원격으로 원하는 시점에 줄기세포 분화를 위한 자극을 전달할 수 있는 나노 코일 시스템의 구동을 동물모델에서 검증함으로써 향후 생체 내 줄기세포 정밀제어 연구의 단초가 될 것으로 기대한다.

과학기술정보통신부 개인기초연구의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료 분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)에 3일 자정(한국시각) 게재됐다.