지지체 자체 재생유도능 효과적 개선, 생쥐모델로 효과 입증

한동근 교수연구팀, 조직재생 유도 지지체에 생리활성물질 도입 연구

한동근 교수

신장 조직의 재생을 위해 삽입되는 지지체에 재생을 도울 생리활성물질을 도입한 연구결과가 소개됐다. 기존 고분자 지지체의 단점을 보완하고 지지체 자체의 재생유도능을 효과적으로 개선했다는데 의미가 있다.

한동근 차의과학대학교 의생명과학과 교수 연구팀이 손상된 조직의 기능회복을 효과적으로 유도할 수 있는 생리활성물질을 함유한 생체활성 고분자 지지체를 개발했다고 밝혔다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구) 및 바이오‧의료기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 결과는 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 3월 16일 게재되었다.

신장조직 재생 효과 높이는 조직공학법 발표

국내 만성 신장질환 환자 수가 급격히 증가하고 있다. 만성 신장질환 환자는 신장이식을 받지 못할 경우, 평생 투석치료에 의존해야 한다. 건강한 신장의 공여자가 한정적인 현실 속 대체 치료법에 대한 개발은 시급했고, 연구팀은 이에 주목해 신장조직의 재생을 효과적으로 유도할 수 있는 조직공학법 방법을 연구하게 된 것으로 알려졌다.

연구팀은 손상된 신장조직을 재생하기 위한 지지체의 기능을 효과적으로 개선하는데 주력했다. 연구팀에 의하면, 손상된 조직의 재생을 위해서는 세포의 성장 및 분화를 돕는 지지체가 필요하다. 하지만 기존 생분해성 고분자 지지체는 이식 후 분해과정에서 산성물질을 생성, 염증반응을 일으킬 수 있었다. 이에 연구팀은 산성 분해산물에 의한 염증반응을 줄이기 위해 제산제나 연하제에 쓰이는 무독성의 세라믹 입자, 수산화마그네슘을 도입해 지지체 주변에서의 산성화를 억제하고자 했다.

(그림1) 재생을 촉진하는 생리활성물질을 포함한 생체활성 지지체이 연구에서는 재생을 유도할 수 있는 생리활성물질인 PDRN과 기능강화 엑소좀을 함유한 생체활성 지지체를 개발하여, 손상된 신장조직의 재생을 촉진하는 전략을 세웠다. 여기에 신장조직의 환경을 모사하기 위한 세포외기질 및 고분자의 분해산물에 의한 부작용을 감소시키기 위한 방법으로 수산화마그네슘을 첨가하였다. 결론적으로 생체활성 지지체의 생화학적 및 생물리학적 특성의 시너지 효과에 의하여 부분 신장 절제 생쥐모델에서 신장조직 재생을 돕는 것을 확인하였다.

또, 신장조직의 미세환경을 모사하기 위해 조직재생을 촉진한다고 알려진 연어의 DNA 혼합물과 줄기세포 유래 엑소좀도 첨가했다. 나아가 돼지의 신장에서 추출한 세포외기질을 도입하여 신장조직 환경을 모방하였다. 세포외기질은 세포를 둘러싼 기질로 세포가 성장하고 분화하는데 중요한 역할을 하는 물리적 환경이다.

실제 이렇게 여러 생리활성물질을 도입한 지지체를 부분 신장 절제술로 신장의 25%만 남은 생쥐모델에 이식한 결과 8주후 기존 지지체를 이식 받은 생쥐모델 대비 신장조직 재생(사구체 형성)이 160% 증가한 것으로 나타났다. 또 염증반응과 신장조직의 섬유화는 5배 감소하였다.

신장의 기능을 반영하는 혈액요소질소 및 크레아티닌 수치와 사구체 여과율 등도 정상생쥐와 유사한 수준으로 회복되었다는 설명이다.

(그림2) 생체활성 지지체의 제조 모식도생체고분자 지지체의 세포적합성 및 조직재생유도능을 강화하기 위하여 조직 재생을 자극할 수 있는 생화학적 인자로 PDRN과 기능강화 엑소좀을 첨가 하였고, 생물리학적 인자로는 신장조직에서 얻은 세포외기질을 첨가하였다. 여기에 생체고분자의 분해산물에 의한 부작용을 줄이기 위해 수산화마그네슘을 이용하였다.

생체활성 지지체, 손상신장 재생 및 신장기능 회복

이번 연구에서 주목할 부분은 개발된 생체활성 지지체가 손상된 신장조직을 효과적으로 재생해 신장 기능을 회복시켰다는 것이다. 따라서 지지체의 이식으로 능동적인 조직재생이 가능할 것으로 기대돼, 만성 신장병 및 장기이식 환자의 생존율을 높이는데 큰 도움을 줄 것으로 전망된다. 또한 생체활성 지지체에 도입된 생리활성물질은 신장 조직 외 다양한 조직의 재생을 자극할 수 있어 확장성이 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 “이번 연구는 지지체에 의한 신장조직의 재생효능을 평가한 연구다. 하지만 장기적으로 볼 때 지지체 자체만의 재생유도는 한정적일 수 있으며, 지지체가 유도할 수 있는 성체 신장의 재생능력은 한계가 있다”고 말하며 “따라서 신장조직의 재생을 유도할 수 있는 줄기세포를 도입해 조직공학적으로 재생 신장 개발을 목표로 하고 있다. 즉, 기능이 강화된 지지체와 줄기세포를 활용해 손상된 신장조직의 기능을 재현할 수 있는 인공지능을 개발해 실제 투석 및 신장질환 환자의 치료에 적용되길 바란다”고 말했다.

(그림3) 이식 8주 후 생체활성 지지체의 신장조직 재생유도능 및 기능회복 평가(A) 생체활성 지지체 이식 생쥐모델에서 신장조직 재생 관련인자 및 항염증 관련인자의 발현이 크게 증가한 반면 섬유화 관련인자의 발현은 크게 감소했다. (B) 부분 신장절제 생쥐모델에 생리활성물질을 포함한 지지체를 이식한 경우, 기존 지지체에 비해 사구체의 형성이 크게 증가했다. 이는 개발된 생체활성 지지체가 높은 조직재생유도능을 가지고 있음을 의미한다.(C) 생체활성 지지체를 부분 신장절제 생쥐모델에 이식하고 8주 후 신장 기능을 평가하기 위하여 혈액검사를 수행하였다. 혈액요소질소, 크레아티닌 수치 및 사구체 여과율 모두 정상 생쥐의 수치와 유사한 수준으로 회복되었으며, 이는 신장조직의 성공적인 재생으로 신장의 기능이 정상화되었음을 의미한다.

이번 연구가 실제 조직재생 지지체에 실용화되기 위해서는 생쥐모델에서 나아가 대동물모델에서의 전임상시험 및 사람을 대상으로 하는 임상시험 등을 통한 안전성과 유효성 평가가 필요하다.

생체활성 지지체에 포함된 생화학적 및 생물리학적 특성의 시너지 효과로 신장조직의 재생을 도울 수 있음을 생쥐모델을 이용해 보여줌으로써 관련 연구 활성화의 단초가 될 것으로 기대된다.

김주현 노벨사이언스 기자