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연구

신개념 제노-프리 줄기세포 배양 플랫폼 개발​
조회수 : 9092 등록일 : 2024-07-31 작성자 : 홍보실

(왼쪽부터) 생명화학공학과 임성갑 교수, 조영학 박사, 이하나 박사, 생명연 손미영 박사

< (왼쪽부터) 생명화학공학과 임성갑 교수, 조영학 박사, 이하나 박사, 생명연 손미영 박사 >

세포치료제로 이용하는 줄기세포 배양은 그동안 동물 병원체의 전파 위험이 있고, 생산공정 간 변동성이 큰 동물 유래 물질에 크게 의존해 왔다. 한국 연구진이 동물 유래 성분을 완전히 배제한 신개념 줄기세포 배양 플랫폼을 개발하고 특히 인간 유도만능줄기세포(hiPSC)의 장기 배양이 가능함을 세계 최초로 입증하여 화제다. 

우리 대학 생명화학공학과 임성갑 교수 연구팀이 한국생명공학연구원(원장 김장성) 줄기세포융합연구센터 손미영 박사 연구팀과 공동 연구를 통해 화학적으로 합성된 동물 유래 물질을 완전히 배제한 (xeno-free, 이하 제노-프리) 인간 전분화능 줄기세포 배양 플랫폼을 개발했다고 31일 밝혔다. 

인간 배아줄기세포(hESC)와 인간 유도만능줄기세포(hiPSC)의 배양은 마우스 섬유아세포와 매트리젤과 같은 동물 유래 성분에 크게 의존함에 따라 줄기세포 기반 치료법의 임상적 적용에서 법적, 윤리적 문제를 야기하며 줄기세포 치료제의 안전성과 효율성을 크게 제한했다.

연구팀은 이런 문제 해결을 위해 합성 고분자 스크리닝/최적화를 진행한 후 배양 기판에 코팅해 인간 전분화능 줄기세포에 장기적으로 안정적인 부착 기반을 제공할 수 있는 줄기세포 배양 플랫폼을 개발했다.

그림 1. 인간 전분화능줄기세포 Xeno-free, 장기 배양 플랫폼 제작 개요도 iCVD 고분자 공중합체 스크리닝 및 최적화를 통하여 인간 줄기 세포를 xeno-free 환경에서 장기 배양 가능한 줄기세포 배양 플랫폼을 개발하였다.

< 그림 1. 인간 전분화능줄기세포 Xeno-free, 장기 배양 플랫폼 제작 개요도 iCVD 고분자 공중합체 스크리닝 및 최적화를 통하여 인간 줄기 세포를 xeno-free 환경에서 장기 배양 가능한 줄기세포 배양 플랫폼을 개발하였다. >

개발된 플랫폼에서 장기 배양 이후 줄기세포 성능 검증하기 위해, 해당 플랫폼에서 장기 배양된 인간 배아줄기세포와 인간 유도만능줄기세포의 성능을 확인한 결과, 기존의 표준 줄기세포 배양 코팅제인 매트리젤과 비교해 성능 손실 없이 안정적으로 배양됨을 입증했다. 이는 세계 최초로 인간 유도만능줄기세포를 동물 유래물질 배제 환경(제노-프리)에서 10회 이상 장기 계대 배양할 수 있음을 입증한 사례다. 

특히 이번 연구에서 사용된 개발된 플랫폼은 매트리젤에서 배양한 세포와 비교해 세포의 분화, 자가 재생 및 줄기세포 특성 유지에 관여하는 핵심 단백질들의 발현이 변화 없이 유지됨을 확인했으며, 이는 줄기세포 치료제의 안정성과 일관성을 높이는 중요한 진전으로 평가된다.

그림 2. 개발된 플랫폼에서 장기 배양 이후 줄기세포 성능 검증 a) 인간 줄기세포의 Alkaline Phosphatase 염색 이미지 b) 인간 줄기세포의 유전체 분석 결과 c) 인간 유도만능줄기세포의 전분화능/3배엽 유전자 발현 분석 결과 d) 인간 줄기세포의 전분화능 단백질 마커 염색 이미지 e) 인간 줄기세포의 분화 진행 이후 3배엽 단백질 마커 염색 이미지

< 그림 2. 개발된 플랫폼에서 장기 배양 이후 줄기세포 성능 검증 a) 인간 줄기세포의 Alkaline Phosphatase 염색 이미지 b) 인간 줄기세포의 유전체 분석 결과 c) 인간 유도만능줄기세포의 전분화능/3배엽 유전자 발현 분석 결과 d) 인간 줄기세포의 전분화능 단백질 마커 염색 이미지 e) 인간 줄기세포의 분화 진행 이후 3배엽 단백질 마커 염색 이미지 >

생명화학공학과 임성갑 교수는 “이번 연구는 기존 줄기세포 배양 방식에서 벗어나 동물 유래 성분을 완전히 배제한 새로운 제노-프리 배양 플랫폼을 개발한 것으로, 특히 인간 유도만능줄기세포(hiPSC)의 장기 배양이 가능함을 세계 최초로 입증했다. 이번 연구는 줄기세포 치료제 상용화를 위한 원천 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대되며 향후 개발된 플랫폼의 상용화 및 대규모 생산 가능하도록 후속 연구를 진행할 예정이다 ”라고 말했다.

그림 3. 개발된 플랫폼에서 장기 배양 이후 단백질학 분석 a) 분석에서 식별된 단백질 및 펩타이드 수 b) 개발된 플랫폼과 매트리젤에서 각각 배양된 세포의 단백질 발현 정도 비교를 위한 화산 도표 c) 개발된 플랫폼과 매트리젤에서 각각 배양된 세포에서 차이를 보이는 단백질의 발현 정도 및 위계적 군집 분석

< 그림 3. 개발된 플랫폼에서 장기 배양 이후 단백질학 분석 a) 분석에서 식별된 단백질 및 펩타이드 수 b) 개발된 플랫폼과 매트리젤에서 각각 배양된 세포의 단백질 발현 정도 비교를 위한 화산 도표 c) 개발된 플랫폼과 매트리젤에서 각각 배양된 세포에서 차이를 보이는 단백질의 발현 정도 및 위계적 군집 분석 >

이번 연구 결과는 조영학 박사(한국과학기술연구원), 이하나 박사(한국생명공학연구원), 정원지 학생(KAIST)이 제1 저자로 참여했으며, 국제 학술지 ‘어드벤스드 머티리얼스 (Advanced Materials)’지에 7월 17일 자 온라인 판에 게재됐다. (논문명: Long-Term Culture of Human Pluripotent Stem Cells in Xeno-Free Condition Using Functional Polymer Films) 

한편, 이번 연구는 산업부 바이오산업핵심기술개발사업, 한국연구재단, 과기부 Korea Bio Grand Challenge 사업, 범부처 재생의료기술개발사업, 한국생명공학연구원 주요 사업의 지원을 받아 수행됐다.

제노프리줄기세포배양플랫폼유도만능줄기세포hiPSCAdvanced Materials 임성갑 공과대학 생명화학공학과
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