미세유체 기반 물리적 자극을 이용한 노화 중간엽 줄기세포(MSC)의 기능적 재활성화 및 세포치료 적용 모식도

건국대학교 조쌍구 교수(첨단바이오공학부) 연구팀이 고려대학교 정아람 교수 연구팀과 함께 노화 또는 장기 배양으로 기능이 저하된 줄기세포에 물리적 자극을 가해 기능을 회복시키는 미세유체 기술을 개발했다. 연구 성과는 국제 저명학술지 ‘스몰(Small)’(IF=11.8, JCR 상위 10% 이내)에 9월 9일 온라인 게재됐다.

줄기세포는 재생의료와 세포치료 분야에서 폭넓게 활용되지만, 배양을 장기간 반복하면 세포가 노화하면서 증식과 재생 능력이 떨어질 수 있다. 연구팀은 이러한 세포 기능 저하를 유전자 조작이나 재활성화 약물 없이 물리적인 자극만으로 회복시키는 방법에 주목했다. 생명과학 기반의 세포노화 분석과 미세유체공학 기반의 정밀 자극 기술을 결합해, 세포 제조 과정에서 필연적으로 발생하는 기능 저하를 공정 단계에서 보완하고자 했다.

이를 위해 연구팀은 ‘미세유체 세포 압축 재활성화 플랫폼(이하 µ-CPR)’ 기술을 개발했다. 미세유체 기술은 매우 작은 통로에서 유체의 흐름을 정밀하게 제어하는 기술로, 본 연구를 통해 개발된 µ-CPR은 줄기세포가 미세한 통로를 통과하는 과정에서 세포에 제어된 물리적 변형을 가해 기능 회복을 유도한다. 유전자 조작이나 약물 처리 없이, 줄기세포에 정밀한 미세유체 기반 기계 자극만을 가해 유체역학적 변형을 일으키고 재활성화를 유도한다는 점이 특징이다.

연구팀은 장기간 배양해 노화가 진행된 와튼젤리 유래 중간엽줄기세포(WJ-MSC)를 µ-CPR 장치에 한 차례 통과시킨 뒤 유동 조건에 따른 세포의 변화를 분석했다. 그 결과, 미세유체 장치를 통해 노화된 줄기세포에 물리적 자극을 가하면 세포 손상을 최소화하면서 젊은 줄기세포 수준으로 기능을 회복시킬 수 있음을 확인했다.

µ-CPR을 거친 세포에서는 노화 마커, 산화 스트레스, DNA 손상 지표 등이 감소했으며 세포의 증식과 재생 능력은 향상됐다. 줄기세포 고유의 특성과 다양한 세포로 분화할 수 있는 능력은 유지됐다. 해당 기술을 생쥐 피부 상처 모델에 적용한 실험 결과에서도 상처 회복과 조직 재생 개선이 확인됐다.

특히 µ-CPR 장치는 시간당 약 2억7000만 개의 세포를 처리할 수 있어, 향후 대량 세포 제조공정에 활용할 가능성도 확인했다. 연구팀은 이번 연구가 미세유체 기술의 활용 범위를 세포의 상태와 기능을 직접 조절하는 기술로 확장했다는 점에 의미가 있다고 설명했다.

화학적, 유전적 자극이 아닌 오직 물리적 자극만을 이용하는 µ-CPR 기술은 향후 안전한 세포치료제 개발과 생산 과정에서 줄기세포의 기능을 높이는 전처리 기술로 활용될 가능성이 있다. 이번 연구 참여진인 정아람 교수의 창업기업 엠엑스티바이오텍은 재생의료용 세포 활성화 기술의 상용화를 추진하고 있으며, 조쌍구 교수의 창업기업이자 건국대 기술지주 자회사인 스템엑소원은 해당 기술을 활용해 줄기세포와 줄기세포 엑소좀 생산 효율을 높이기 위한 연구를 진행하고 있다.

조쌍구 교수는 “이번 연구는 노화된 줄기세포의 기능 저하를 유전자나 약물이 아닌 물리적 공정으로 조절할 가능성을 보여줬다는 데 의미가 있다”며 “후속 연구를 통해 효과의 지속성과 다양한 세포원에서의 재현성을 검증하고, 재생의료 제조공정과의 접점을 구체화하겠다”고 말했다.

정아람 교수는 “이번 미세유체 장치는 세포 손상을 최소화하면서 물리적 자극만으로 세포 기능을 회복하고 활성화할 수 있다는 것이 장점”이라며 “향후 세포치료제 제조공정과 재생의료 분야에 활용할 수 있도록 기술의 적용 범위를 확대해 나가겠다”고 밝혔다.

이번 연구에는 건국대 첨단바이오공학부 줄기세포재생공학전공 분자세포리프로그래밍센터와 고려대 바이오의공학부, 엠엑스티바이오텍, 스템엑소원 연구진이 참여했다. 건국대 장수빈·전탁일·강근호 연구자가 공동 제1저자로, 고려대 정아람 교수와 건국대 조쌍구 교수가 공동 교신저자로 참여했다.