유도만능줄기세포 대용량 배양 위한 나노 플랫폼 개발

   - 재사용 가능한 실리콘 나노기둥 플랫폼으로 유도만능줄기세포 대량 군체 형성

   - GIST-KIST 연구팀, 줄기세포 대용량 경제적 배양 가능성 열어…Nanoscale 논문

[그림 1] 페트리디쉬(플라스틱 2차원 배양기판/좌)에서 형성된 유도만능줄기세포의 세포군체와, 수직형 실리콘 나노기둥 구조(우)에서 형성된 유도만능줄기세포의 세포군체의 모습(형광촬영사진) 비교. 형광 녹색의 구체들이 유도만능줄기세포 군체이며, 페트리디쉬 대비 수직형 실리콘 나노기둥 구조에서 더 크고 완벽한 구체인 세포군체가 형성됨을 확인 할 수 있다.

□ 재사용이 가능한 대면적 나노기둥 구조를 이용해 유도만능줄기세포*의 세포군체를 더 큰 형태로 배양할 수 있는 플랫폼이 개발됐다.

  ∘ GIST(광주과학기술원) 윤명한 교수팀(신소재공학부)과 KIST(한국과학기술연구원) 양은경·김소연 박사팀이 개발한 이 배양 플랫폼을 이용하면 재생의학* 분야에서 사용할 대용량 유도만능줄기세포를 보다 경제적으로 배양할 수 있을 것으로 기대된다. 

  * 유도만능줄기세포: 완전히 자란 체세포에 세포 분화 관련 유전자를 지닌 조작된 유전자를 주입해 세포 생성 초기의 단계로 돌아가게 하여 다분화능을 가지도록 유도된 세포

  * 재생의학: 인간의 세포·조직·장기를 대체하거나 재생(再生)시켜서 원래의 기능을 할 수 있도록 복원하기 위해 줄기세포를 포함한 약물, 소재 및 의료기기 등을 이용하는 전반적인 기술을 포괄하는 분야

□ 유도만능줄기세포를 필요한 세포로 분화시키기 이전까지는 구형(球形)의 세포군체 안에 많은 세포들이 높은 활성 상태(세포생존능)에서 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력(다분화능)을 유지하는 것이 중요하다.

  ∘ 하지만 기존 유도만능줄기세포 배양 방법들은 세포군체 형성 방법이 복잡하거나 세포생존능이 낮고, 형성된 세포군체를 회수하기 어려워 이를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있다.

[그림 2] 수직형 실리콘 나노기둥 구조를 이용한 유도만능줄기세포 배양 연구에 대한 전체 모식도. 나노기둥 구조의 형상을 조절(왼쪽 상단)해 세포 배양에 있어서 최적 조건을 찾고, 해당 나노기둥 구조를 세포 배양 기판으로 이용해 구상의 세포군체 형성을 시킴. 형성된 세포군체를 쉽게 회수해 다른 세포로 분화시킬 수 있음. 사용된 나노기둥 구조는 추가 세포군체를 형성시키기 위해 재사용 가능.

□ GIST와 KIST의 연구팀은 유도만능줄기세포의 실제 적용을 위한 기초단계로서, 세포군체 형성을 유도·촉진하는 수직형 실리콘 나노기둥 구조체로 이루어진 배양 플랫폼을 개발했다.

  ∘ 연구팀은 금속을 촉매로 한 화학적 식각(etching)을 통해 나노기둥 구조체의 직경‧밀도‧길이 등을 조절, 유도만능줄기세포의 세포군체 형성에 최적화된 조건을 확립했으며 3인치 실리콘 웨이퍼에서 제작된 수직형 실리콘 나노기둥 구조체 위에서 대량의 유도만능줄기세포 군체를 형성시켰다.

  ∘ 이 배양 플랫폼으로 형성된 유도만능줄기세포 세포군체의 세포생존능을 분석한 결과 약 100%의 매우 높은 세포생존능을 나타냈으며, 형성된 세포군체의 평균 직경은 400㎛로 대조군 대비(150㎛) 2.6배 더 크게 형성되었다.

  ∘ 또한 나노구조체 위에서 형성된 세포군체는 피펫을 이용한 약한 수압을 가하는 방법으로 쉽게 회수가 가능했으며, 세포군체 회수 후 같은 나노기둥 구조체에서 4회에 걸쳐 유도만능줄기세포 세포군체의 재배양이 가능함을 확인했다.

  ∘ 아울러 단백질 분석 결과, 유도만능줄기세포의 세포분화와 관련된 단백질인 나노그(Nanog)가 대조군보다 많이 발현돼 줄기세포 특성을 유지하고 있음을 확인했다.

[그림 3] 네 종류(AF-coated plate, Petri dish, Flat Si, vSNA4)의 유도만능줄기 세포배양 기판에서의 줄기세포 마커(줄기세포임을 증명하기 위한)의 RNA(좌)와 단백질(우) 발현도 비교. 수직형 실리콘 나노기둥 구조(vSNA4)에서 마커들의 발현이 훨씬 더 증가됨을 알 수 있다(적색사각형). 이러한 마커들의 과발현은 수직형 실리콘 나노기둥 구조에서 유도만능줄기세포들이 분화능을 상대적으로 잘 유지하고 있음을 의미한다.

[그림 4] (a) 3인치 수직형 실리콘 나노기둥 구조(좌)와 배양된 유도만능줄기세포의 세포군체들의 형광사진들(우). 넓은 영역에서 세포군체들이 잘 형성돼 있음을 알 수 있다. (b) 수직형 실리콘 나노기둥 구조의 재활용에 대한 확인을 위해 4회에 걸친 유도만능줄기세포의 세포군체 형성(형광사진과 차등간섭대비 사진) 및 회수 후 수직형 실리콘 나노기둥 구조 위에서 세포존재 여부 대한 확인(차등간섭대비 사진). 이를 통해 제작된 수직형 실리콘 나노기둥 구조의 유도만능줄기세포를 배양 하는 데 있어 재활용 가능성을 확인할 수 있다. (사진에 보이는 수직선은 동일한 영역임을 나타내기 위함)

□ 윤명한 교수는 “유도만능줄기세포는 배아줄기세포의 윤리적인 문제를 해결할 수 있는 대안으로서 최근 재생의학 분야에서 가장 관심이 큰 주제”라며 “이번에 개발한 수직형 실리콘 나노구조체 배양법은 신약 개발을 위한 약물 스크리닝이나 대체조직 생산 등을 위한 유도만능줄기세포의 대용량 배양에 이용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

□ 이번 연구는 GIST 연구원(GRI)의 지원을 받아 수행됐으며 논문은 나노기술 분야 권위지인 나노스케일(Nanoscale)에 9월 16일 온라인 판에 게재됐다.     <끝>

대외협력팀