가톨릭대학교 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단 합성생물학사업단장 구희범 교수(교신저자, 의생명과학교실), 박지선 박사(공동 제1저자), 전하영 연구원(공동 제1저자) 연구팀이 mRNA와 화학약물을 동시에 전달하는 나노입자를 개발해 중간엽 줄기세포(MSC)의 골 생성 분화와 뼈 재생을 촉진했다는 연구 결과를 18일 발표했다.

이번 연구는 줄기세포가 뼈로 분화하고 재생되는 과정을 크게 개선할 수 있는 성과로, 화학물질의 독성을 줄여 치료 효과를 크게 높일 수 있는 길을 열었고, 다양한 질병 치료에 활용될 가능성이 크다는 평가다. 

줄기세포 치료는 줄기세포가 특정 조직이나 세포로 분화되도록 하는 과정에서 화학물질로 인한 활성산소 독성 문제가 한계를 초래해왔다.   

mRNA와 화학 약물을 동시에 전달하는 나노입자 개발 모식도. 항산화 효과를 지닌 Nrf2 유전자를 발현시키는 mRNA와 골 재생을 촉진하는 화학물질 덱사메타손을 나노입자를 통하여 동시에 줄기세포에 전달하여 세포 치료 및 골 재생 효과를 높일 수 있다. 

연구팀은 mRNA와 약물을 한 번에 전달할 수 있는 나노입자를 통해 이러한 문제를 해결하고자 했다. 항산화 효과를 지닌 Nrf2 유전자를 발현시키는 mRNA와 골 재생을 촉진하는 화학물질 덱사메타손을 함께 줄기세포에 전달할 수 있는 나노입자를 개발했다. 이 나노입자를 통해 줄기세포에 Nrf2 mRNA와 덱사메타손이 전달되면, 독성 문제를 억제하면서도 줄기세포의 골 생성 분화가 촉진됐다. 특히 mRNA의 경우 전통적인 플라스미드 DNA보다 이른 시간에 발현돼 빠른 항산화 효과가 가능했다.

이번 연구는 쥐의 대퇴골 결함 모델을 통해 나노입자의 효과를 검증했다. 연구팀이 개발한 나노입자를 투입한 줄기세포는 빠르게 뼈를 재생하며 결손 부위가 완전히 치유되었다. 이러한 성과는 나노입자가 줄기세포 치료의 성공률을 높이고, 뼈 손상을 치료하는 데 있어 획기적인 도구가 될 수 있음을 시사한다.

   구희범 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단 교수(왼쪽부터), 박지선 박사, 전하영 연구원

구희범 교수는 “이번 연구는 나노입자를 통해 줄기세포 내 mRNA를 효과적으로 전달함으로써 줄기세포 치료의 한계를 극복할 가능성을 열었다”며 “앞으로 이 기술이 다양한 줄기세포 치료 분야에 적용될 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단, 과학기술정보통신부 중견연구, 범부처재생의료기술개발사업, 유전자편집·제어·복원기반기술개발사업의 지원을 받았다. 현재 재료 분야 국제 학술지 ‘ACS Nano’(IF=15.8)에 온라인 게재된 상태이며, 11월호 지면 발간본에도 곧 게재될 예정이다.