기초의학사업추진단, mRNA와 약물 동시 전달로 줄기세포 연골 재생 효과 높였다

- SOX9 mRNA·덱사메타손 탑재 지질나노입자 개발, 줄기세포 연골 분화 촉진 -

- 동물 실험 모델서 초기 연골 형성·결손 부위 회복 향상 확인 -

  가톨릭대학교 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단 합성생물학사업단 구희범 교수(공동 교신저자, 의생명과학교실), 미국 매사추세츠 주립대학교(UMass Amherst) 최홍수 교수(공동 교신저자), 가톨릭대학교 의과대학 의생명과학교실 박지선 박사(공동 제1저자), 전하영 연구원(공동 제1저자) 연구팀이 mRNA와 저분자 약물을 동시에 전달하는 ‘분화 촉진 나노입자(DaN, Differentiation-accelerating Nanoparticle)’를 개발하고, 이를 통해 줄기세포의 연골 분화와 재생 효과를 높일 수 있음을 확인했다.

  연구팀이 개발한 분화 촉진 나노입자(DaN)은 연골 분화 핵심 전사인자인 SOX9 mRNA와 연골 분화를 유도하는 저분자 약물인 덱사메타손(Dexamethasone)을 지질나노입자(LNP)에 동시에 탑재해 중간엽줄기세포(MSC)에 전달하는 기술이다.

  줄기세포를 이용해 손상된 연골을 재생하기 위해서는 중간엽줄기세포를 빠르고 효율적으로 연골세포로 분화시키는 것이 중요하다. 그러나 기존 중간엽줄기세포 기반 연골 치료는 연골세포로 분화하는 데 오랜 시간이 필요하고, 바이러스를 사용하지 않는 비바이러스성 유전자 전달 방식의 효율이 낮아 치료 효과를 높이는 데 한계가 있다.

  이에 연구팀은 SOX9 mRNA와 덱사메타손을 지질나노입자(LNP)에 함께 탑재해 중간엽줄기세포에 동시에 전달하는 방식을 고안했다. 이를 통해 연골 분화를 빠르게 유도하는 동시에 유전자 전달 효율을 높여 기존 줄기세포 기반 치료의 한계를 보완하고자 했다.

  연구팀은 중간엽줄기세포에 유전물질을 효과적으로 전달할 수 있도록 지질나노입자(LNP) 제형을 최적화했다. 그 결과, 덱사메타손을 함께 탑재해도 SOX9 mRNA의 전달 효율이 유지됐으며, 세포 내 SOX9 단백질이 빠르게 생성되는 것을 확인했다.

  이어 분화 촉진 나노입자(DaN)를 3차원(3D) 중간엽줄기세포 스페로이드 모델에 적용한 결과, mRNA와 저분자 약물의 복합작용으로 초기 연골 분화가 촉진됐다. 또한, 세포외기질(ECM)의 생성이 증가하고 주요 연골 분화 관련 지표의 발현도 크게 향상됐다.

  동물실험 모델에서도 연골 재생 효과가 확인됐다. 연골 결손 쥐 모델에서 분화 촉진 나노입자(DaN)로 처리한 결과, 중간엽줄기세포(MSC)를 주입한 치료군에서 초기 단계부터 연골 형성이 촉진됐으며 결손 부위의 회복과 연골 재생 효과가 유의하게 향상됐다.

  구 교수 연구팀은 이를 통해 mRNA와 저분자 약물이 동시 탑재된 지질나노입자를 이용해 연골 분화 기능이 강화된 줄기세포를 개발했고, 초기 연골 재생 효과를 높일 수 있음을 확인했다. 이번 연구는 mRNA 기반 나노치료 플랫폼의 재생의학 분야 활용 가능성을 제시했다.

  구희범 교수는 “이번 연구는 지질나노입자를 이용한 mRNA와 저분자 약물을 동시에 전달함으로써 줄기세포의 연골 분화 및 치료 기능을 강화할 수 있다는 가능성을 확인한 연구”라며 “향후 다양한 연골 질환 및 재생의학 분야에 활용할 예정이다”라고 밝혔다.

  이번 연구는 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단과 한국연구재단, 보건산업진흥원, 범부처재생의료기술개발사업 등의 지원을 받아 수행되었다. 현재 화학·재료공학 분야 국제 학술지 《Chemical Engineering Journal》(IF=12.5)에 온라인 게재됐다.