KAIST 전상용 교수팀, 3차원 줄기세포 배양 기술 제시… 생존력·치료효과 향상

합성 고분자 ‘poly-Z’ 기반 배양 플랫폼 개발… 지방유래 줄기세포 기능 강화와 염증성 질환 동물모델 치료효과 확인

KAIST 연구진이 줄기세포의 생존력과 치료효과를 높일 수 있는 3차원 배양 기술을 제시했다. KAIST는 생명과학과 전상용 교수 연구팀이 줄기세포를 더 건강하게 배양할 수 있는 새로운 플랫폼을 개발했다고 29일 밝혔다. 연구팀은 세포가 실제 체내 환경과 유사한 조건에서 자랄 수 있도록 고분자 매트릭스를 적용한 배양 기판을 만들고, 그 위에서 인간 지방유래 줄기세포를 입체적으로 배양하는 3차원 플랫폼을 구현했다.

인간 지방유래 줄기세포는 채취가 쉽고 증식이 잘되며 면역 거부 반응이 적어 치료용 세포로 주목받아 왔다. 그러나 기존 2차원 평면 배양 방식에서는 시간이 지나면서 세포가 노화하고 기능이 떨어지는 한계가 있었다. 이를 개선하기 위해 세포를 덩어리 형태로 키우는 3차원 배양 기술이 연구돼 왔지만, 체내에서 세포가 오래 살아남거나 기능을 유지하는 데에는 여전히 제한이 있었다.

전상용 교수 연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 실록산이 촘촘히 가교화된 합성 고분자 물질을 개발하고, 이를 ‘폴리-지(poly-Z)’로 명명했다. 이 물질은 배양 기판 표면의 물리화학적 특성을 바꿔 세포 배양 배지에 포함된 알부민 단백질의 흡착을 촉진한다. 그 결과 줄기세포가 바닥에 부착되지 않고 자기조립을 통해 3차원 스페로이드, 즉 세포 덩어리 구조체를 형성하도록 유도한다.

폴리-지 기반 3차원 배양 환경에서 형성된 줄기세포 스페로이드는 세포 주변을 둘러싸고 지지하는 세포외기질 생성이 증가해, 실제 몸속과 유사한 환경을 형성했다. 연구팀은 이 환경에서 배양된 지방유래 줄기세포가 기존 방식보다 우수한 성능을 보였다고 설명했다.

실험 결과, 폴리-지 기반 3차원 배양 줄기세포는 다른 세포로 변화할 수 있는 분화능과 면역 반응을 조절하는 능력이 향상됐다. 또한 체내에서 살아남는 시간도 증가한 것으로 나타났다. 특히 급성 대장염과 급성 간손상 동물모델에서 기존 방식보다 더 우수한 치료효과를 보였다. 같은 양의 줄기세포를 투여하더라도 더 오래 살아남고 더 활발하게 작용해 치료효과를 높일 수 있음을 확인한 것이다. 연구팀은 이번 기술이 단순히 세포를 덩어리로 만드는 데 그치지 않고, 세포 주변의 미세환경을 풍부하게 조성한다는 점을 확인했다. 세포를 한곳에 모아놓는 방식이 아니라, 세포가 실제 몸속에서 접하는 조건과 유사한 ‘살기 좋은 환경’을 만들어 기능을 강화한 것이다.

이 과정에서 세포가 주변 환경을 인식하는 단백질인 인테그린과 FAK 신호전달이 활성화됐다. 연구팀은 이 신호 활성화를 통해 줄기세포가 주변 환경을 더 잘 감지하고 반응하면서 스스로의 기능을 더 잘 발휘하게 된 것으로 분석했다. 그 결과 체내 이식 후 세포 생존율이 높아지고 치료효과도 함께 향상됐다.

전상용 교수는 이번 연구가 합성 고분자 기반의 정밀한 3차원 배양 환경을 통해 줄기세포의 기능과 치료 효능을 동시에 향상시킬 수 있음을 보여준 성과라고 설명했다. 이어 염증성 질환을 비롯한 다양한 난치성 질환 치료를 위한 차세대 줄기세포 치료제 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다고 밝혔다.

이번 연구에는 KAIST 이노코어 AI-혁신신약연구단 서창진 박사가 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 3월 31일 온라인판에 게재됐다. 논문명은 ‘Polymer Matrix-Based 3D Culture Significantly Enhances the Differentiation and Immunomodulatory Functions of Human Adipose-Derived Stem Cells’이다.

이번 연구는 범부처재생의료기술개발사업단의 범부처재생의료기술개발사업, KAIST InnoCORE 프로그램, 한국연구재단 리더연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구팀이 제시한 3차원 배양 기술은 줄기세포 치료에서 세포 자체의 수뿐 아니라 세포가 자라는 환경을 어떻게 설계하느냐가 치료 효능을 좌우할 수 있음을 보여주는 사례로 정리된다.

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