손상된 심장 조직 내 세포 생착률과

기능 회복 효과 높이는 세포 표면 개질 기술 개발

- 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단 구희범·박훈준 교수, 새로운 세포치료 전략 제시 -

- 클릭화학·지질 삽입 기술로 심근세포 표면 개질... 손상된 콜라겐 선택적 결합 -

- 동물 모델서 이식 세포 생착 향상 및 심장 기능 개선, 부정적 심장 재형성 억제 확인 -

  가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단 구희범 교수(공동 교신저자, 의생명과학교실·합성생물학사업단)와 박훈준 교수(공동 교신저자, 가톨릭대학교 의정부성모병원 순환기내과), 가톨릭대학교 의과대학 이동현·심우섭·박재현 연구원(공동 제1저자) 공동 연구팀이 심근경색으로 손상된 심장 조직의 변성 콜라겐에 이식 세포가 선택적으로 결합하도록 유도해, 세포의 생착률과 심장 재생 효과를 높이는 새로운 세포치료 전략을 제시했다.

  급성 심근경색은 관상동맥의 혈류가 차단되면서 심근이 손상되거나 괴사하는 중증 질환이다. 심장은 자체적인 재생 능력이 제한적이어서 기존 치료만으로는 심근경색으로 소실된 심근세포를 근본적으로 대체하기 어렵다. 이에 인간 만능줄기세포 유래 심근세포(hPSC-CMs)를 활용한 치료 방법이 대안으로 주목받고 있지만, 이식된 세포의 낮은 잔류율과 생존율은 치료 효과를 높이기 위해 해결해야 할 주요 과제로 남아있다.

  이에 공동 연구팀은 클릭 화학(click chemistry)과 지질 삽입(lipid insertion) 기술을 활용해 인간 만능줄기세포 유래 심근(hPSC-CMs)세포의 표면에 콜라겐 결합 펩타이드(CHP, collagen hybridizing peptide)를 부착시키는 세포 표면 개질 기술을 개발했다. 연구팀은 지질 삽입과 클릭 화학을 결합한 2단계 세포 표면 개질법을 통해 별도의 유전자 조작 없이 1시간 이내에 심근세포 표면에 CHP를 신속하고 균일하게 도입해, 손상된 심장 조직에 대한 세포의 생착률과 심장 기능 회복 효과를 크게 높이고자 했다.

  연구팀은 심근경색으로 손상된 조직의 세포외기질(ECM)에 변성 콜라겐이 풍부하게 존재한다는 점에 주목했다. 먼저, 지질 삽입 방식을 이용해 화학적 변형 없이 심근세포 표면을 개질하고, 빠르고 효율적인 결합이 가능한 클릭 화학을 활용해 콜라겐 결합 펩타이드를 세포 표면에 결합한 것이다. 이를 통해 이식된 세포가 손상된 조직의 변성 콜라겐을 선택적으로 인식하고 효과적으로 부착할 수 있도록 설계했다.

  실험 결과, CHP로 표면을 개질한 심근세포(CHP-mCM)는 정상 콜라겐이 아닌 심근경색으로 손상된 변성 콜라겐에 선택적으로 결합했으며, 개질 후에도 세포의 구조와 전기생리학적·대사적 기능도 유지되는 것으로 확인됐다. 이어 허혈-재관류 손상(I/R) 동물 모델에서 심근경색 발생 7일 후 CHP-mCM을 경색 경계부에 이식한 결과, 이식 1주 차부터 좌심실 박출률과 단축률이 대조군 및 비개질 심근세포 이식군보다 유의하게 높게 유지됐다. 6주간 관찰에서도 부정적 심장 재형성이 뚜렷하게 억제됐으며, 심박출량과 수축 기능 역시 다른 실험군보다 우수한 것으로 나타났다.

  구희범 교수는 “이번 연구는 클릭 화학을 이용해 줄기세포 표면에 원하는 기능성 물질을 빠르고 균일하게 도입할 수 있음을 보여준 연구”라며 “향후 다양한 세포치료제의 기능을 높이는 범용 표면 개질 플랫폼으로 발전시킬 계획이다”라고 밝혔다.

  이번 연구는 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단, 한국연구재단, 범부처재생의료기술개발사업(KFRM) 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 생체재료 분야 국제 학술지 《Bioactive Materials》(IF=23.6)에 최근 온라인 게재됐다.