[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

재생의학은 기능을 상실한 세포나 조직, 장기를 대체해 질병을 치료하는 분야다. 주로 약물이나 수술로도 근본적인 치료가 어려운 난치성 질환 치료를 목적으로 한다. 재생의학 분야의 핵심자원은 모든 세포로 분화할 수 있는 능력을 가진 ‘전분화능 줄기세포(Pluripotent stem cell)’다. 이를 이용해 제 기능을 잃어버리거나 손상된 세포를 대체하는 세포치료제를 개발하려는 것이다. 전분화능 줄기세포로는 배아줄기세포(Embryonic stem cell)와 역분화줄기세포(induced pluripotent stem cell, iPSC)가 있다.

기존 전분화능 줄기세포 배양법은 쥐나 인간에서 채취한 ‘지지세포(Feeder cell)’와 ‘세포 외 기질(Extracellular matrix)’이 반드시 필요했다. 하지만 이렇게 동물에서 유래한 물질과 함께 배양한 세포는 환자에게 치명적인 병원균 감염을 초래할 위험을 안고 있다. 이 때문에 전분화능 줄기세포를 임상에 적용하기 어려웠다.

동물에서 유래한 물질에 의한 병원균 오염이나 감염을 막기 위해 합성고분자 물질을 이용한 배양법이 개발되기도 했다. 그러나 세포 접착을 위해 세포 외 기질을 추가로 사용해야 하거나, 세포 배양 시 합성고분자 물질이 분해되기도 해 장기간 배양이 어려웠다. 또 제작과정에도 많은 돈이 들어간다는 단점이 있었다. 이 때문에 동물에서 유래한 감염이 없으면서 줄기세포 배양에 유리하고 저렴한 새로운 소재가 필요했다.

그래핀(graphene)은 탄소로 구성된 소재로 열이나 전기 전도성이 좋고, 전기적․물리적․생리화학적 특성이 우수하다. 또 생체에 적합한 물질로 조직공학이나 바이오 분야에서도 주목받고 있는 나노 신소재다. 이전에도 그래핀을 이용한 성체줄기세포 배양이나 분화 유도에 관한 연구는 활발했다. 하지만 그래핀만 사용해 인간 역분화줄기세포 배양에 성공한 사례는 없었다.

이번 연구는 동물에서 유래하지 않은 소재인 그래핀을 이용해 줄기세포를 배양할 수 있는 최적의 조건을 개발하기 위해 추진됐다. 이를 통해 지지세포나 세포 외 기질 없이도 인간 역분화줄기세포를 장기간 배양하는 데 성공했다.

2. 연구내용

이번 연구에는 DAS(Diffusion-assisted Synthesis) 기술로 합성한 그래핀이 쓰였다. DAS 기술을 사용하면 어떤 기판에도 그래핀을 직접 합성할 수 있고, 기존 CVD(Chemical vapor deposition) 기술로 얻은 그래핀과 다른 표면을 얻을 수 있다.

DAS 그래핀은 표면에 불룩하게 솟은 마루(Ridge)를 가진다. 이 덕분에 표면형상(Surface topography)을 3차원으로 보면 나노 단위에서 표면거칠기(Nanoroughness)를 가진다. 또 그래핀을 합성하는 과정에서 ‘산소 분자 함유 기능기(Oxygen containing functional groups)’가 들어가 표면에 존재하게 된다. 이 덕분에 DAS 그래핀은 CVD 그래핀보다 물과 친하다(친수성 강함). 표면 친수성은 역분화줄기세포가 달라붙고 자라는 데 중요한 역할을 한다. 결과적으로 DAS 그래핀 위에서도 역분화줄기세포가 빠르게 접착하고 증식하는 모습을 관찰할 수 있었다.

연구진은 DAS 그래핀에서 인간 역분화줄기세포를 배양하는 게 적합한지 알아보기 위해 그래핀에서 자란 세포의 특성을 분석했다. 그 결과 자가증식(Self-renewal)과 전분화능(Pluripotency)이 장기간 유지된다는 사실을 확인했다.

DAS 그래핀 위에서 2주간 배양된 세포는 미분화된 세포 형태로 세포 증식을 유지했다. 전분화능을 확인할 수 있는 특정 단백질(특이적 단백질 마커)인 OCT4, SSEA4, TRA-1-60, TRA-1-81도 발현됐다. 지지세포에서 자란 세포와 비교해도 유사한 전분화능 유전자발현 패턴을 보였다. 3배엽 세포로 분화되는 것도 확인함으로써 생체 안이나 바깥 모두에서 전분화능이 검증됐다. 특히 그래핀 위에서 배양한 역분화줄기세포에서 세포 접착 유전자 발현이 증가하는 것도 확인할 수 있었다.

이번 연구는 동물에서 유래하지 않은 소재인 그래핀으로 기존 세포 배양에 사용했던 동물유래 물질이나 합성고분자 소재의 한계점을 모두 극복했다는 의미가 있다.

3. 기대효과

이번 연구로 지지세포 없이 그래핀만으로 인간 역분화줄기세포를 배양하는 방법을 개발했다. 이는 기존 배양법의 한계인 동물 유래물질에 의한 감염을 배재하면서, 역분화줄기세포의 자가증식과 전분화능을 유지하며, 장기간 배양을 가능하게 한다. 이 기술은 향후 세포치료와 재생의학 분야 개발에 필요한 안전한 임상 등급 줄기세포를 확보하는 데 기여할 것이다. 또한 이번 연구 결과는 BT와 NT의 융합기술발전에 활력을 불어넣어 줄 것으로 기대된다. 특히 이 기술은 줄기세포뿐 아니라 다른 세포군에서도 사용 가능해 추후 기술적 파급효과가 매우 클 것으로 예상된다.

[붙임] 용어설명

1. 전분화능 줄기세포(Pluripotent stem cell) 

전분화능(pluriportent)는 모든 세포로 분화할 수 있는 능력을 말한다. 전분화능 줄기세포는 특정한 세포로만 분화하는 게 아니라 근육세포나 신경세포, 간세포 등 인체의 모든 세포로 분화할 수 있는 줄기세포를 뜻한다. 

2. 역분화 줄기세포(induced pluripotent stem cell, iPSC)

분화가 끝난 체세포에 역분화 인자유전자를 주입해 ‘전분화능’ 단계로 되돌린 세포를 말한다. 배아줄기세포처럼 전분화능을 가지고 있어 다양한 세포로 분화할 수 있다. 2006년 일본의 야마나카 신야 교수팀이 역분화 인자를 사용해 체세포로부터 배아줄기세포와 동일한 능력을 가진 세포를 제작함으로서 2012년 노벨 생리의학상을 수상했다. 

3. 그래핀(Graphene)

탄소 원자들이 2차원 평면을 이루고 있는 얇은 막 구조의 물질이다. 열이나 전기 전도성이 우수하며 기계적으로 가용성이 좋아 ‘꿈의 신소재’라 불린다. 

4. 세포치료(Cell therapy)

본래 기능을 잃어버리거나 손상된 세포를 새로운 세포로 치환(replace)하거나 재생(regeneration)시키는 치료 방법이다. 

5. 지지세포(Feeder cell)

지지세포는 배아줄기세포가 분화되지 않은 상태로 두는 데 기여하는 세포로, 영양 인자들을 분비하고 세포 접촉으로 매개되는 미분화 유지 기작에 영향을 준다고 알려졌다. 인간 배아줄기세포를 배양하는 데는 쥐의 섬유아세포인 ’MEF(mouse embryonic fibroblast)’가 지지세포로 널리 사용된다.

6. 세포 외 기질(Extracellular matrix)

세포끼리 연결하고 기능할 수 있는 ‘틀’ 역할을 하는 연결체로 기질과 기저막으로 구성된다. 이 부분은 세포가 성장하고 분화하는 데 필요한 인자와 물리적 환경들을 세포에 공급해준다. 

[붙임] 그림설명