[더파워 이설아 기자] 연골 재생에 필요한 유전물질과 약물을 하나의 나노입자에 함께 담아 줄기세포에 전달하는 기술이 개발됐다. 세포 실험에서는 초기 연골 분화가 촉진됐고, 연골이 손상된 쥐를 이용한 동물실험에서도 결손 부위 회복이 향상돼 mRNA 기반 재생치료 플랫폼으로의 활용 가능성을 보였다.
가톨릭대학교 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단 합성생물학사업단 구희범 교수와 미국 매사추세츠주립대학교 최홍수 교수 공동 연구팀은 mRNA와 저분자 약물을 동시에 전달하는 ‘분화 촉진 나노입자(DaN·Differentiation-accelerating Nanoparticle)’를 개발했다고 21일 밝혔다.
연구에는 가톨릭대학교 의과대학 의생명과학교실 박지선 박사와 전하영 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.
연구팀이 개발한 DaN은 연골 분화에 관여하는 전사인자 SOX9의 mRNA와 연골 분화를 유도하는 저분자 약물 덱사메타손을 지질나노입자(LNP)에 함께 탑재해 중간엽줄기세포(MSC)에 전달하는 방식이다.
손상된 연골을 줄기세포로 재생하려면 중간엽줄기세포를 연골세포로 빠르고 효율적으로 분화시키는 과정이 중요하다. 하지만 기존 중간엽줄기세포 기반 접근은 연골세포로 분화하는 데 시간이 오래 걸리고, 바이러스를 사용하지 않는 유전자 전달 방식은 전달 효율이 낮다는 한계가 있었다.
연구팀은 이를 보완하기 위해 연골 분화를 직접 유도하는 SOX9 mRNA와 덱사메타손을 하나의 LNP에 동시에 담았다. 중간엽줄기세포에 유전물질을 효율적으로 전달하도록 제형도 최적화했다.
실험 결과 덱사메타손을 함께 담은 상태에서도 SOX9 mRNA 전달 효율이 유지됐으며, 세포 내부에서 SOX9 단백질이 빠르게 생성되는 것이 확인됐다.
3차원 중간엽줄기세포 스페로이드 모델에 DaN을 적용했을 때는 mRNA와 저분자 약물의 복합 작용으로 초기 연골 분화가 촉진됐다. 연골 조직 형성에 중요한 세포외기질(ECM) 생성량과 연골 분화 관련 지표의 발현도 증가했다.
동물실험에서도 비슷한 결과가 나타났다. 연골 결손 쥐 모델에 DaN으로 처리한 중간엽줄기세포를 주입한 결과 초기부터 연골 형성이 촉진됐고, 결손 부위 회복과 연골 재생 지표도 향상됐다.
다만 이번 연구는 세포와 동물실험 단계에서 이뤄진 만큼 사람의 연골 질환 치료 효과가 입증된 것은 아니다. 향후 임상 적용을 위해서는 안전성과 유효성을 확인하는 추가 연구가 필요하다.
연구팀은 이번 결과가 mRNA와 저분자 약물을 함께 전달해 줄기세포의 특정 조직 분화를 강화하는 나노치료 플랫폼의 가능성을 보여준다고 평가했다. 연골 외 다른 재생의학 분야로 확장할 수 있는지도 추가로 연구할 계획이다.
구희범 교수는 "지질나노입자를 이용해 mRNA와 저분자 약물을 동시에 전달함으로써 줄기세포의 연골 분화와 치료 기능을 강화할 수 있는 가능성을 확인했다"며 "향후 다양한 연골 질환과 재생의학 분야에서 활용할 수 있도록 연구를 이어가겠다"고 말했다.
이번 연구는 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단과 한국연구재단, 보건산업진흥원, 범부처재생의료기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐으며 화학·재료공학 분야 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 온라인 게재됐다.
