김종필 교수(동국대학교) 연구팀이 세계 최초로 나노 일렉트로닉스라는 개념의 전자기화 된 금 나노입자를 활용한 신개념 ‘세포 직접교차분화 리프로그래밍’ 기술을 개발하여 혁신적 생체 내 세포 운명 전환 기술을 확립하였다고 미래창조과학부는 밝혔다.
 
동국대 의생명공학과 김종필 교수와 유준상 연구원의 이번 연구 결과는 생명과학분야의 권위 있는 학술지인 네이쳐 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF=38.986)에 7월 18일자에 게재되었다.
 
- 논문명 : Electromagnetized gold nanoparticles mediate direct lineage reprogramming into induced dopamine neurons in vivo for Parkinson’s disease therapy
- 저자정보 : 김종필(교신, 동국대 의생명공학과 교수), 유준상(제1저자, 박사과정)
 
‘세포 직접교차분화* 리프로그래밍’은 세포의 운명을 자유자재로 조정하여 특정 세포를 타겟(target) 세포로 전환을 유도하는 기술로 현재 재생의학에서 기존 줄기세포치료제의 한계**를 극복할 수 있는 차세대 기술로 주목 받고 있는 분야이다.
 
* 직접 교차 분화 (Direct lineage reprogramming) : 분화가 끝난 세포에서 전혀 다른 세포로 세포 운명 전환을 유도하는 과정
** 기존 성체, 역분화, 배아 줄기세포 치료제는 세포분화의 제한성, 안전성, 고비용 등의 문제로 실용화에 어려움을 겪고 있음
 
연구팀은 나노 일렉트로닉스라는 개념의 전자기화 된 금 나노입자를 활용하여 체외(in vitro)에서 이미 분화를 마친 마우스 및 사람의 피부 세포를 신경세포로 전환하는데 성공하였으며, 이 기술을 파킨슨 질환 모델 마우스에 적용하여 생체 내(in vivo)에서 도파민성 신경 세포를 생산함으로써 파킨슨 질환의 치료 효과를 확인 하였다.
 
이번 연구를 통해 바이오·나노·전자공학이 융합된 새로운 줄기세포 분야를 개척하였으며, 기존 기술을 뛰어넘는 줄기세포 세포치료 기술 확보의 가능성을 제시하였다.
 
김종필 교수는 이번 연구 결과로 “파킨슨 병 뿐만 아니라 다양한 퇴행성 뇌신경 질환에 대한 줄기세포 기반 세포 치료제의 실용화 가능성이 높아졌다“며 세포 전환기술 및 리프로그래밍 연구에서 혁신적 성과로 세계를 선도해나가겠다는 포부를 밝혔다.
 
이 연구는 미래창조과학부 바이오?의료기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다.
 
논문의 주요내용
 
1. 연구의 필요성
현재 줄기세포 분야는 성체줄기세포, 역분화줄기세포 및 배아줄기세포 등을 활용한 줄기세포치료제 개발이 활발하나, 세포 분화의 제한성, 안전성 및 제작 시간, 노력, 비용 등의 문제로 상용화에 어려움을 겪고 있다.
 
최근 이러한 어려움을 극복하기 위해 세포의 운명을 자유자재로 바꾸어 원하는 세포를 만들어내는 ‘세포 직접교차분화 리프로그래밍’ 기술을 세포치료에 활용하는 방법이 모색되고 있다.
 
특히, 직접교차 리프로그래밍 기술을 활용하여 원하는 세포로의 전환을 생체 내(in vivo)에서 유도하는 기술은 이전 줄기세포치료에서 발생하는 여러 문제점을 극복할 수 있다는 점에서 재생의학에서 주목받고 있다.
 
세포 직접교차 리프로그래밍을 포함한 줄기세포 연구에서 필요한 세포를 효율적으로 제작할 수 있는 혁신적 세포전환 기술 개발의 필요성이 대두되고 있다.
 
2. 연구 방법
본 연구에서는 나노 일렉트로닉스와 바이오가 융합된 신개념의 세포전환 기술을 개발, 이를 직접교차분화 리프로그래밍에 적용하여 혁신적인 세포운명전환 기술을 개발하였다.
 
3. 연구 성과
본 연구팀은 차세대 줄기세포 리프로그래밍 기술인 직접교차분화를 나노 일렉트로닉스와 융합함으로써 줄기세포 분야에서 바이오·나노 융합 연구의 장을 열었으며, 뇌신경 세포로의 운명 전환 기전을 밝힘으로써 생체내 세포 전환 리프로그래밍을 활용한 뇌신경 질환 치료 가능성을 보여주었다.
   

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그림설명 :  바이오 융합 나노 일렉트로닉스 기술을 이용한 신개념 도파민 신경세포 세포 전환 기술 개발
a) 전자기화된 금 나노입자가 처리된 조건에서 피부세포를 리프로그래밍 유도하여 도파민 신경세포가 만들어지는 모식도이다.
b) 나노 일렉트로닉스 기술을 이용한 마우스 생체 내 (in vivo) 직접교차분화 분석
- 나노일렉트로닉스 기반 생체내 직접교차 리프로그래밍을 증명하기 위해, 유전적으로 표식된 별아교세포에서 신경으로 전환하였을 때, GFP를 발현하게 하여 별아교세포로부터 직접교차 리프로그래밍이 유도되었음을 증명하였다.
 
 

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그림설명 :  나노 일렉트로닉스 기술을 이용한 신개념 생체 내 (in vivo) 도파민 신경세포 직접교차분화 리프로그래밍
a) 6-OHDA 와 MPTP를 이용하여, 파킨슨 질환 마우스 제작 하고 전자기화된 금나노 입자를 이용하여 생체 내 직접 교차분화를 진행하였다.
b) Open field test를 이용하여 마우스의 행동성을 분석하고, 발자취를 추적한 실험 결과이다. 스마트 나노입자를 이용한 실험군 마우스에서, 파킨슨병이 치료됨을 확인할 수 있었다.
c) 파킨슨 마우스 모델에서 스마트 나노입자를 이용한 생체 내 리프로그래밍을 실행하고, 면역염색법을 통하여 도파민 신경세포의 생성을 확인한 결과, 많은 양의 뉴런이 대조군에 비하여 생성됨을 확인 할 수 있었다.
d,e) 파킨슨 마우스 모델에서 스마트 나노입자를 이용한 생체 내 리프로그래밍을 실행하고, 전기생리학 분석을 한 결과, 나노일렉트로닉스를 이용한 실험군에서 전기생리학적 성질이 나타남을 확인하였다.
f) 나노일렉트로닉스를 이용한 파킨슨 모델 마우스 의 생체 내 리프로그래밍 실험에서, 도파민 용출양 분석을 한 결과, 많은 양의 도파민이 검출 된 것을 확인하였다.