연골은 관절, 코, 귀 등에 존재하며, 충격을 흡수하고 형태를 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 하지만 혈관이 없어 손상되면 회복이 어려워 인공연골 이식이나 재건술이 필요하다. 

김성원 가톨릭대 서울성모병원 이비인후과 교수(가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단 첨단세포치료사업단, 교신저자), 구희범 가톨릭대 의대 의생명과학교실 교수(합성생물학사업단장, 교신저자), 전정호·천서영 의생명과학교실 연구원(공동 제1저자), 천서영 연구원(제1저자) 팀은 사람의 코 연골에서 얻은 세포와 첨단 생체재료를 결합해 실제 연골 구조를 모사한 ‘라쿠나 기반 연골 재생 기술’을 개발했다고 4일 밝혔다. 

이번 연구는 단순한 세포 이식이나 조직 대체 방식이 아닌, 자연 구조를 정밀하게 모사하여 기능적 회복을 유도하는 전략을 보여줌으로써 조직공학의 미래적 방향을 제시했다는 평가다.

연구의 핵심은 연골의 ‘라쿠나’(lacuna) 구조를 모사했다는 점이다. 라쿠나는 소수의 연골세포가 서로 밀착한 채 세포외기질(세포 바깥을 감싸고 있는 단백질‧당 같은 물질)에 둘러싸여 있는 연골 특유의 구조다. 라쿠나 구조 모사는 단순히 세포를 넣는 방식보다 훨씬 실제 연골과 유사하게 조직을 재현할 수 있는 방법으로 주목받고 있다.

연구팀은 이 구조를 만들기 위해 두 가지 기술을 활용했다. 탄닌산(tannic acid, 식물성 천연물질로 세포를 뭉치게 해주는 접착제 역할)을 활용한 세포 클러스터링 기법과 ‘클릭 화학(click chemistry)’ 기반의 하이드로겔을 적용했다. 클릭 화학은 특정 분자들이 빠르고 정확하게 결합하는 반응 기술로, 이번 연구에서는 폴리에틸렌글리콜(PEG)과 젤라틴을 결합해 세포를 감싸는 안정적인 하이드로겔을 만들었다.

이처럼 클러스터 형태로 만든 코중격 연골세포(human nasal septal chondrocytes, hNC)를 클릭 화학 기반 하이드로겔에 캡슐화하면, 세포 생존율이 높아지고 연골세포로의 분화도 촉진된다는 사실이 실험을 통해 확인됐다.

연구팀은 이 세포-하이드로겔 복합체를 연골이 손상된 쥐 모델에 이식한 결과, 우수한 연골 재생 효과를 확인했다. 면역조직화학적 분석에서도 실제 연골에 가까운 조직이 형성된 것이 관찰됐다.   사람 유래 비중격 연골세포와 클릭 화학 기반 하이드로겔 이용한 연골의 라쿠나 구조를 모사한 연골 재생 기술 모식도   이번 연구는 무릎 연골의 외상성 손상, 퇴행성 질환으로 고통받는 많은 환자들에게 희망적인 치료의 단초가 될 전망이다. 하이드로겔과 세포 클러스터를 결합한 이번 방식은 실제 환자 치료로 이어지기까지 전임상-임상-상용화의 중개연구를 거쳐야 한다. 

김성원 교수는 “이번 전임상 연구는 사람 유래 코 연골세포와 첨단 생체재료를 결합하여 실제 연골의 구조를 모사하고, 연골 재생 가능성을 실험적으로 입증한 데 의미가 있다”며 “향후 무릎이나 턱, 코 재건 등 연골 손상 치료를 위한 다양한 임상적 적용 가능성을 제시하여 조직공학적 치료법 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

구희범 교수는 “라쿠나 구조를 모사하는 이 기술은 단순한 세포 주입이나 2D 배양이 아닌, 3차원 조직공학 기반의 재생의학 응용 기술로 한 단계 진화한 것”이라며 “기초의학의 정교한 설계와 공학적 응용이 결합된 성과”라고 강조했다.   김성원(왼쪽부터)·구희범 교수, 전정호·천서영 연구원이번 연구는 기초의학사업추진단의 주도로 보건복지부, 한국보건산업진흥원, 한국연구재단, 범부처재생의료기술개발사업단 등 국내 주요 기관의 다중 지원을 받아 진행됐다. 학술지 ‘Chemical Engineering Journal’(IF=13.2) 9월호 온라인판에 게재됐다.