왼쪽부터 조연우 박사과정 학생, 김태형 교수(이상 중앙대), 지서현 박사과정 학생, 최경민 교수(이상 숙명여대)

융합공학부 김태형 교수 연구팀이 세계 최초로 체내 줄기세포의 자연 분화 과정을 모사하여, 원하는 세포를 고효율로 간편하게 취득할 수 있는 ‘단일 금속-유기골격체 나노입자 패턴(SMENA)’을 제작하는 데 성공했다.

줄기세포를 통해 특정 세포를 취득하기 위해서는, ‘분화’라고 불리는 줄기세포만의 독특한 전환 과정이 필수적이다. 이때, 세포 분화의 효율과 안정성을 향상시키기 위하여, 배양 과정 동안 다양한 분화 유도 인자들이 안정적이고 지속적으로 공급되는 생체 내 환경의 특성을 모사하는 기술이 매우 중요하다. 그러나, 현재까지 체외에서 줄기세포를 이용하여 분화 과정을 유도하는 방법은, 다양한 분화 유도 인자를 배양액에 첨가하고, 이를 사람이 직접 주기적으로 교체하는 방식의 수동적이고 불연속적인 방식에 의존하고 있었다. 이는 실제 체내 환경과 가장 크게 차이가 나는 부분이며, 줄기세포 분화 효율 및 세포 취득율의 높은 변동성을 극복하기 위하여 반드시 필요한 부분이다.

이러한 문제점에 착안하여, 연구팀은 약 한달 이상의 장기 배양 기간 동안 일정하게 분화인자를 안정적으로 방출할 수 있는 금속-유기 골격체 나노입자-나노패턴을 활용하였다. 이때 나노입자 세포 배양에 직접 분주할 경우, 나노입자의 구조적 변성 및 입자의 유실 등의 문제가 발생할 수 있으며, 나노입자의 세포 내부 침투로 인한 안전성 문제 등을 야기할 수 있다. 

줄기세포 자동 분화 플랫폼 SMENA 설명

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위하여, 세포 배양 기판 상에 매우 균일한 형태의 나노홀(Nanopits)을 제작하였으며, 나노홀 하나에 나노입자를 하나씩 배치하는 기술을 적용, 최종적으로 줄기세포의 자연 분화 플랫폼(SMENA, Single Metal-Organic Framework (MOF)-Embedded Nanopit Arrays)을 세계 최초로 완성하는 데 성공하였다. 결과적으로, 2주 이상의 분화 기간 동안 나노입자의 변성 및 소실 없이 배양액만으로 신경분화가 자동적으로 유도됨을 확인하였으며, 안정적 분화 인자의 공급으로 인하여 기존 분화 프로토콜 대비 약 40배 이상 신경분화가 촉진되었음을 확인하였다. 

연구팀은 “SMENA 기판은 간엽줄기세포, 유도만능줄기세포, 배아줄기세포 등을 포함하여 다른 종류의 줄기세포 분화에도 활용될 수 있어 그 범용성과 확장 가능성이 매우 높은 새로운 형태의 줄기세포 배양 플랫폼으로 자리매김할 것으로 기대한다”고 전했다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 바이오의료기술 개발사업, 중견연구자 지원사업, 중소벤처기업부의 산학연 Collabo R&D 사업을 통해 진행됐다. 본 연구는 우리 대학 김태형 교수 연구실의 조연우 박사과정 학생과 숙명여자대학교 최경민 교수 연구실의 지서현 박사 과정 학생이 제1저자로, 김태형 교수와 최경민 교수가 교신저자로 참여했으며, 본 학과 졸업생인 Intan Rosalina Suhito 박사, 학부 학생인 이정현, 성균관대 글로벌바이오메디컬공학과의 박천권 교수가 공동저자로 참여했다. 

본 연구 성과는 세계 3대 학술지 Science의 자매지인 Science Advances에 4월 20일 온라인 게재되었으며 (Single metal-organic framework–embedded nanopit arrays: A new way to control neural stem cell differentiation, Science Advances, Vol. 8, Issue 16, 2022), 재료 분야에서 전 세계에서 가장 주목할만한 최신 연구 성과를 요약하는 Nature Reviews Materials (IF: 66.31)의 Research Highlight로도 선정되어 6월 중으로 게재될 예정이다.