가톨릭대학교 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단 합성생물학사업단 구희범 교수(의생명과학교실), 미국 매사추세츠 주립대학교 최홍수 교수 연구팀은 ‘분화 촉진 나노입자(DaN, Differentiation-accelerating Nanoparticle)’를 개발했다고 21일 밝혔다.

연구팀이 개발한 나노입자는 연골 분화 핵심 전사인자인 SOX9 mRNA와 연골 분화를 유도하는 저분자 약물인 덱사메타손(Dexamethasone)을 지질나노입자(LNP)에 동시 탑재해 중간엽줄기세포(MSC)에 전달하는 방식이다.

줄기세포를 활용한 손상 연골 재생은 중간엽줄기세포를 신속하고 효율적으로 연골세포로 분화시키는 과정이 필수적이다.

그러나 기존 중간엽줄기세포 기반 치료는 분화에 오랜 시간이 소요되고, 바이러스를 쓰지 않는 비바이러스성 유전자 전달 방식의 효율이 낮아 치료 효능을 높이는 데 한계가 따랐다.

이에 연구팀은 지질나노입자 제형을 최적화해 SOX9 mRNA와 덱사메타손을 함께 실어 세포 내로 전달하는 방식을 고안했다.

실험 결과, 덱사메타손을 함께 탑재해도 mRNA 전달 효율이 온전히 유지됐으며, 세포 내에서 SOX9 단백질이 신속하게 생성되는 점이 확인됐다.

3차원(3D) 중간엽줄기세포 스페로이드 모델에 해당 나노입자를 적용한 결과, mRNA와 저분자 약물의 복합작용으로 초기 연골 분화가 크게 촉진됐다. 세포외기질(ECM) 생성이 늘어났고 주요 연골 분화 지표 발현도 두드러지게 향상됐다.

동물실험에서도 뚜렷한 재생 효과가 나타났다. 연골 결손 쥐 모델에 나노입자로 처리한 중간엽줄기세포를 주입하자 초기 단계부터 연골 형성이 유도됐으며, 결손 부위 회복과 연골 재생 효과가 유의하게 개선됐다.

구희범 교수는 “지질나노입자를 이용해 mRNA와 저분자 약물을 동시에 전달함으로써 줄기세포 연골 분화와 치료 기능을 강화할 수 있음을 확인했다”며 “향후 다양한 연골 질환 및 재생의학 분야에 폭넓게 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단을 비롯해 한국연구재단, 한국보건산업진흥원, 범부처재생의료기술개발사업 지원을 받아 진행됐으며 연구 결과는 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’ 온라인판에 게재됐다.