국내 연구진이 생체 내 줄기세포의 변화상을 정밀하고 안전하게 추적할 수 있는 신기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 테라그노시스연구단 김광명 박사팀은 동국대학교 일산병원 신경과 김동억 박사팀과의 공동연구로 인체에 이식한 줄기세포를 추적하는 신개념 줄기세포 표지 및 영상화 기술을 개발했다고 밝혔다. 생체 적합성이 높은 조영제 나노입자를 줄기세포에 결합시켜 장기간 형광영상과 자기공명영상(MRI)의 복합영상으로 모니터링 할 수 있는 기술이다.

줄기세포가 세계 의과학계 최대의 관심사가 되고 있는 이유는 모든 종류의 기관과 조직으로 분화할 수 있는 전분화능(全分化能, pluripotency) 때문이다. 이론상 줄기세포를 이용하면 근육, 뼈, 장기, 뇌 등 어떤 손상 세포와 조직도 재생 가능하다.

하지만 인체에 이식한 줄기세포의 분화 과정을 적절히 제어하기 어렵다는 점이 한계로 작용해왔다. 이를 해결하기 위해서는 먼저 줄기세포의 생존과 이동, 분포 등을 정확히 파악하는 방법이 필요했다.

줄기세포 치료제의 이동과 분포를 관찰하는 표지(labeling) 및 영상화(imaging) 기술은 최근 줄기세포의 체내 이식 후 변화상을 추적하는 기술로도 주목받고 있다.

복합조영제 나노입자가 표지된 줄기세포의 추적 영상 기술의 모식도.

KIST 연구진은 생체 적합성이 높고 줄기세포의 전분화능에도 영향을 주지 않는 신개념 표지 기술 개발을 위해 당대사공학 및 생물직교성 무동 클릭화학을 이용했다. 이를 통해 줄기세포 표면에 안전하게 표지할 수 있는 화학수용체를 만드는 한편, 이와 특이적으로 결합하는 산화철 기반의 복합조영제 나노입자를 개발해 줄기세포의 영상신호를 극대화하는 고감도 복합영상 획득에 성공했다.

연구팀은 이 기술을 이용한 뇌졸중 동물모델 실험을 통해 근적외선 형광영상 및 MRI 영상을 통해 14일 간에 걸쳐 장기간 안정적으로 관찰할 수 있었다. 이는 새로 개발된 복합조영제 나노입자 및 줄기세포 표지기술이 줄기세포의 전분화능 손실과 세포 독성 발현을 최소화했기 때문에 가능한 것이다.

KIST 김광명 박사는 “이번에 개발한 줄기세포 표지 및 추적기술은 뇌에 이식한 줄기세포의 치료 효과를 고감도 복합영상으로 장기간 추적할 수 있게 하는 기술”이라며 “향후 뇌 질환용 줄기세포 치료제 개발과 효능 예측에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 전망된다”고 밝혔다.

한편 본 연구는 과학기술정보통신부 글로벌연구실사업 및 KIST 기관고유사업의 지원으로 수행되었으며, 관련 논문은 연구 성과의 파급력을 인정받아 재료·화학 분야 학술지 ‘ACS Nano’ (IF:13.903, JCR 분야 상위 6%) 최신호에 게재됐다.

*용어설명

당대사공학(metabolic glycoengineering) : 알킨, 티올, 아자이드 등 다양한 화학 반응기를 세포 표면의 당 단백질에 인공적으로 도입할 수 있는 기술. 세포에 존재하는 당 단백질 합성과정을 이용하기 때문에 세포 독성이 없고 표지 가능한 화학 반응기의 양을 인위적으로 조절할 수 있다.

생물직교성 무동 클릭화학(Bioorthogonal copper-free click chemistry) : 아자이드와 알킨기가 구리 촉매 없이 특이적으로 결합되는 현상. 독성이 있는 구리 촉매를 사용하지 않기 때문에 세포나 생체 독성이 없고 기존 반응보다 반응속도가 빠르다.

* (논문명) Dual-Modal Imaging-Guided Precise Tracking of Bioorthogonally Labeled Mesenchymal Stem Cells in Mouse Brain Stroke

– (제1저자) 한국과학기술연구원 임승호 연구원

– (제1저자) 한국과학기술연구원 윤홍열 박사

– (교신저자) 한국과학기술연구원 김광명 박사

– (교신저자) 동국대학교 의과대학 김동억 박사