새로운 미토(Supramolecular) 방식: 줄기세포 확장의 새로운 대안
줄기세포 치료의 가능성과 대량 생산 문제
사람 유래 유도만능줄기세포(human induced pluripotent stem cells, hiPSCs)는 거의 모든 인체 조직을 생성할 수 있는 잠재력을 가지고 있어 재생 의학에서 큰 기대를 받고 있다. 그러나 이런 복잡한 세포 치료를 위해선 수십억 개의 세포가 필요하며, 이는 기존 2D 배양 방식으로는 쉽게 달성할 수 없는 규모다.
3D 현탁 배양(suspension culture)은 기존 평판 배양보다 표면적을 더 많이 제공함으로써 대량 세포 배양을 가능하게 한다. 그동안 이 과정에서 구체 모양의 미크로캐리어(microcarrier)가 사용되었지만, 낮은 표면적 대 부피 비율과 세포 덩어리(clumping) 문제로 제한점이 있었다.
새로운 형태, 미세섬유 라프트의 개발
이 연구에서는 기존 구형 미크로캐리어의 대안으로 '미세섬유 라프트(microfibrous rafts)' 형식을 제안하고 개발했다. 이를 위해 비슈레아(Bisurea, BU) 기반의 초분자 첨가제를 포함한 바이오소재 라이브러리를 스크리닝하며 줄기세포의 부착과 다능성(Pluripotency)을 유지하는 데 적합한 조합을 확인한 후, 전기방사(Electrospinning) 기술을 활용해 라프트 구조를 제작했다.
미세섬유 라프트는 평평한 시트 형태로 설계되어 세포 덩어리 형성을 방지하며, 기존 구형 미크로캐리어보다 높은 표면적 대 부피 비율을 제공한다. 이러한 구조적 특성은 3D 배양 환경에서 hiPSC의 성장을 한층 효율적으로 지원한다.
연구 과정 및 실험 결과
바이오소재 라이브러리 스크리닝
- 연구진은 줄기세포 부착 및 다능성 유지에 기여할 수 있는 BU 기반 첨가제 조합 32가지를 테스트했다.
- 각각의 조합은 얇은 중합체 필름으로 가공되었고, 그 중 13가지 조합이 줄기세포 부착 능력을 보였다.
특히, BU-cRGDfK와 BU-GIKVAV를 각각 1 mol% 농도로 사용하는 조합이 최적의 부착 및 다능성 유지 성능을 나타냈다. 이 성분 조합은 장기간 세포 다능성을 보존하는 능력도 입증되었다.
미세섬유 라프트 제작 및 성능 평가
- 전기방사 기법을 통해 미세섬유형 라프트를 제작했다.
- 기초 및 수정된 라프트 모두에서 줄기세포가 안정적으로 부착되었고, 다능성 상태를 유지했다. 이러한 플랫폼은 기존 3D 배양 시스템보다 확장 가능성과 효율 면에서 우수한 성과를 보였다.
결론: 줄기세포 배양을 위한 새 플랫폼
이 연구는 새로운 바이오소재 조합과 구조를 활용하여 hiPSC 배양 문제를 해결하기 위한 라프트형 플랫폼을 제시했다. 미세섬유 라프트는 세포 부착 면적을 극대화하며, 표면적-부피 비율의 향상을 통해 줄기세포의 대규모 확장 가능성을 크게 높였다. 이러한 기술은 기존의 3D 배양 시스템의 한계를 극복할 대안으로서 중요한 의의를 가진다.
또한, 새로운 형태의 미크로캐리어 개발이 줄기세포 치료의 가능성을 확대하는 데 중요한 역할을 할 것으로 보인다.
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