물리적 자극만으로 세포 운명 바꾸는 '살아있는 젤' 개발: 미래 의학의 새 지평 열까¶
원제목: HUST Professors Yiwei Li and Bi-feng Liu Pioneer Tissue-Mimicking Hydrogel - Bioengineer.org
핵심 요약
- 세포의 기계적 환경을 모방한 혁신적인 하이드로젤이 개발되었음.
- 생화학적 또는 유전적 조작 없이 물리적 신호만으로 세포의 운명을 재프로그래밍하는 데 성공했음을 보여줌.
- 이 기술은 암 치료 및 재생 의학 분야에 혁신적인 변화를 가져올 잠재력을 지니고 있음.
상세 내용¶
중국 화중과학기술대학교(HUST) 연구진이 세포 생체 역학과 재생 의학의 융합을 통해 획기적인 성과를 달성했습니다. 연구진은 기존의 생화학적 또는 유전적 조작 없이 순수하게 물리적인 세포 미세 환경 자극만으로 세포 운명을 재프로그래밍할 수 있는 조직 모방 하이드로젤 시스템을 개발했습니다. 이 혁신적인 기술은 최근 'Research' 저널에 발표되었으며, 세포 운명과 기능을 물리적 신호로 재정의하는 새로운 시대의 도래를 알리고 있습니다. 이는 암 치료 및 재생 의학 분야에 혁신적인 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.
세포가 거주하는 기계적 환경은 세포의 생리적 행동을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다. 자연적인 조직 매트릭스는 점탄성과 비선형 탄성과 같은 복잡한 기계적 특성을 지니고 있으며, 이는 세포 건강 유지뿐만 아니라 분화 및 복구를 유도하는 데 필수적입니다. 그러나 노화와 질병은 이러한 기계적 특성을 점진적으로 저하시켜 신경 퇴행이나 암과 같은 조직 기능 장애 및 병리를 유발합니다. 기계적 신호의 중요성은 인지되었음에도 불구하고, 이전의 생체 재료 플랫폼들은 살아있는 조직의 복잡한 점탄성 및 비선형 탄성적 거동을 동시에 재현하는 데 실패하여 세포 기계 생물학을 효과적으로 탐구하고 조작하는 능력을 제한해 왔습니다.
이러한 중요한 격차를 해소하기 위해, 이웨이 리 교수와 비-펑 리우 교수가 이끄는 연구팀은 알지네이트와 콜라겐으로 구성된 상호 침투 네트워크(IPN) 하이드로젤을 설계했습니다. 이 하이드로젤은 연조직의 자연적인 기계적 환경을 모방하도록 세심하게 설계되었습니다. 이 복합 하이드로젤은 콜라겐의 비선형 탄성과 알지네이트의 점탄성 전단 박화 특성을 결합하여, 생물학적 조직의 이중 기계적 특성을 충실히 재현하는 매트릭스를 생성합니다. 연구진은 칼슘 이온 가교 조정을 통해 생화학적 조성의 변화 없이 하이드로젤의 초기 강성을 미세 조정할 수 있음을 입증했으며, 이는 다양한 생리학적 및 병리학적 상태에서의 조직 역학을 정밀하게 시뮬레이션할 수 있게 합니다.
이 조직 모방 하이드로젤 상에서 배양된 섬유아세포에서 놀라운 관찰 결과가 나타났습니다. 세포들은 처음에 표면에 퍼졌지만, 곧 서로를 향해 이동하기 시작하여 간엽 집합체로 응집되었습니다. 이러한 행동은 콜라겐 또는 알지네이트만으로 구성된 매트릭스에서는 관찰되지 않았습니다. 이 응집은 콜라겐 섬유가 다발 구조로 재구성되는 것과 일치하며, 이는 활발한 매트릭스-세포 기계적 피드백 메커니즘을 시사합니다. 이러한 세포-매트릭스 기계적 크로스토크는 재구성된 세포외 기질을 통해 전달되는 장거리 세포 상호 작용을 촉진하며, 물리적 미세 환경에 의해 집단 세포 행동이 어떻게 유도될 수 있는지에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다.
이 현상에 결정적인 역할을 하는 것은 세포 수축성으로, 수축 억제제를 사용한 실험을 통해 명확히 밝혀졌습니다. 수축력이 억제되었을 때, 간엽 집합체는 단일 세포로 흩어졌고, 이는 재프로그래밍 관련 유전자 발현의 현저한 하향 조절과 향상된 분화 능력의 상실을 동반했습니다. 이는 매트릭스 역학이 세포 수축성을 향상시키고, 이는 다시 재프로그래밍 신호를 구동하는 양성 피드백 루프를 강조합니다. 이 피드백 메커니즘은 관찰된 세포 표현형 변화를 유도하는 데 근본적인 자기 강화 주기를 생성합니다. 전사체 프로파일링은 또한 공학적으로 설계된 하이드로젤에 의해 유도된 심오한 재프로그래밍 효과를 추가로 검증했습니다. 줄기세포 표지자, 특히 중간엽 줄기세포를 상징하는 Id1, Id2, Cd36, Cd9과 같은 유전자들이 이러한 집합체 내에서 유의하게 상향 조절되었습니다. 동시에, 세포 운명 결정에 관련된 주요 신호 전달 경로인 Wnt, Hippo, PPAR 경로가 강력하게 활성화되었습니다.
편집자 노트¶
이번 HUST 연구진의 성과는 과학계에 매우 흥미로운 소식입니다. 특히 주목할 점은 세포의 운명을 바꾸는 데 있어 우리가 흔히 생각하는 약물이나 유전 공학적 방법 대신, '물리적인 힘'만을 이용했다는 것입니다. 우리 몸의 세포들은 주변 환경, 즉 세포가 놓인 '매트릭스'의 단단함이나 탄성 같은 물리적인 특성에 따라 행동이 크게 달라집니다. 마치 흙의 성질에 따라 식물이 다르게 자라는 것과 유사하다고 볼 수 있습니다. 연구진은 이러한 물리적인 특성을 정교하게 모방한 '살아있는 젤', 즉 하이드로젤을 개발하여, 이 젤 위에서 세포들이 스스로 변화하는 모습을 관찰할 수 있었습니다.
이 기술은 왜 우리에게 중요할까요? 현재 많은 질병, 예를 들어 암이나 노화로 인한 퇴행성 질환 등은 세포가 놓인 환경의 물리적 특성이 변하면서 발생하거나 악화되는 경우가 많습니다. 지금까지는 이러한 물리적인 요인을 직접적으로 제어하기 어려웠지만, 이번 연구는 물리적인 신호만으로 세포의 '운명'을 바꿀 수 있다는 가능성을 열어주었습니다. 이는 곧 손상된 조직을 치료하거나, 암세포의 성장을 억제하는 새로운 방법을 개발하는 데 단초가 될 수 있습니다. 나아가, 세포 치료제의 효율성을 높이거나, 맞춤형 의료 시대를 앞당기는 데에도 기여할 수 있을 것입니다. 앞으로 이러한 '물리적 제어' 기술이 어떻게 발전하고 실제 의료 현장에 적용될지 주목할 필요가 있습니다.