- 세포로 덮인 인체삽입용 소재 제조 신기술 개발

- 체내 삽입형 의료기기에 치료세포 탑재, 치료 효과 증대 및 부작용 억제

막힌 혈관을 확장하는 스텐트, 치아나 뼈를 대체하는 임플란트 등 체내에 삽입하는 의료소재는 재생의학 분야에서 수십 년간 활용되고 있다. 하지만 염증반응이 생기거나 소재 주변이 섬유조직으로 둘러싸이기도 하고 혈전을 유발시켜 혈관을 막기도 하는 등 심각한 부작용과 기능 상실로 인해 장기적인 활용이 어렵다.

최근 국내 연구진이 의료소재 표면에 세포주변물질을 쌓아 부작용을 줄이는 기술을 개발해 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 생체재료연구센터 정윤기 박사 연구팀이 차의과학대학교(총장 김동익) 한동근 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 체내 삽입형 의료소재 표면에 세포의 주변을 구성하는 물질을 쌓은 소재를 개발했다고 밝혔다. 해당 소재에는 줄기세포 등의 치료 기능을 가진 세포를 탑재할 수 있어, 세포치료제를 원하는 부위에 전달하는 데 활용할 수 있다.

연구진은 소재의 표면 및 생체물질과 강한 결합이 가능한 화합물(폴리도파민)과 단백질(피브로넥틴)을 코팅하고 그 위에 세포를 배양했다. 배양된 세포는 세포 주변환경 구성물질(세포외기질)을 만들게 되는데, 이후 세포만 제거하고 세포외기질은 남겨 의료목적으로 필요한 세포를 부착할 수 있는 공간을 만든 소재를 개발했다.  세포외기질은 세포와 친화력이 높아 체내의 어떤 환경에서도 세포의 부착과 생존을 가능하게 해 필요한 세포를 치료 부위에 전달할 수 있으며 의료소재와 신체조직간의 부작용을 최소화할 수 있었다.

연구진은 막힌 혈관을 확장하는 시술에 활용하는 의료기기인 스텐트 표면에 개발한 소재를 적용했다. 스텐트는 물리적으로 혈관을 늘이기 때문에 시술부위 주변에 상처가 생겨 염증이나 혈전으로 인해 다시 혈관이 막혀버리는 부작용의 위험성을 갖고 있다. 개발한 소재를 통해 혈관을 재생할 수 있는 혈관전구세포를 함께 실어서 시술한 결과 혈관 확장 효능이 뛰어날 뿐만 아니라 손상된 혈관 내벽이 재생되어 부작용인 신생내막 형성률을 70% 이상 경감시킬 수 있었다.

KIST 정윤기 박사는 “본 기술은 인체 내에 삽입하는 다양한 소재에 적용 가능해 스텐트와 같은 의료기기뿐만 아니라 장기간 이식이 필요한 이식용 임플란트와 더불어 미래 기술로 주목하고 있는 체내삽입형 진단 및 치료 기기 분야에 범용적인 플랫폼 원천기술로 활용될 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원을 받아 KIST 주요사업 및 한국연구재단 바이오의료기술개발사업, 중견연구자지원사업, 범부처전주기의료기기연구개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재료과학 분야의 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’ (IF:16.836, JCR 분야 상위 3.98%) 최신 호에 게재되었다. 

 * (논문명) Robustly supported extracellular matrix improves the intravascular delivery efficacy of endothelial progenitor cells 

    - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박충원 학생연구원(現, 홍콩과기대)

    - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박광숙 Post-Doc(現, 연세의대)

    - (교신저자) 차의과학대학교 한동근 특훈교수

    - (교신저자) 한국과학기술연구원 정윤기 책임연구원 

<그림설명>

[그림 1] 세포외기질이 강하게 결합된 소재 구조 모식도

금속 표면에 고정된 폴리도파민에 의해 피브로넥틴이 균일하고 견고하게 코팅되고 피브로넥틴의 콜라겐 및 당단백질 결합 부위를 통해 세포 유래 세포외기질이 강하게 결합된 표면을 제조할 수 있다.

[그림 2] 세포외기질 결합 소재와 그 위에 세포가 탑재된 현미경 사진

금속 표면에 실제로 코팅된 세포외기질을 관찰하면 얇은 막으로 코팅이 되어 있으나 미세하게 관찰해 보면 3차원 네트워크 형태를 띠고 있음. 또한 세포외기질이 코팅된 스텐트에 세포를 배양하여 부착시키면 많은 세포(왼쪽, 가운데 그림의 점 모양)가 안정적(우측 그림의 붉은색 구조)으로 부착되어 있는 것을 볼 수 있다.

[그림 3] 토끼 혈관에 3일간 이식 후 제거한 시편