체내 이식한 줄기세포, 장기간 추적 가능

줄기세포치료 관련 연구에 적용 기대

특허TV 박미희 | 기사입력 2017/07/13 [16:44]

체내 이식한 줄기세포, 장기간 추적 가능

줄기세포치료 관련 연구에 적용 기대

특허TV 박미희 | 입력 : 2017/07/13 [16:44]

 

김광명 박사(한국과학기술연구원) 연구팀이 체내 이식한 줄기세포를 장기간 추적할 수 있는 새로운 줄기세포 표지(Labeling) 기술을 개발했다고 밝혔다.

 

김광명 박사 연구팀의 연구내용은 국제적인 학술지 바이오메터리얼즈(Biomaterials) 61일자에 게재되었다.

 

줄기세포는 여러 종류의 신체 조직으로 분화할 수 있는 능력을 가진 미분화세포이다. 줄기세포를 체내에 이식했을 때는 제대로 이식이 되었는지, 줄기세포가 살아있는지를 확인할 수 있어야 한다.

 

현재 널리 사용되고 있는 표지 기술은 줄기세포의 형질을 전환시키거나 다양한 영상 조영제*를 줄기세포에 직접 들어가게 하는 일련의 과정을 거치는데, 이때 줄기세포의 전분화능*의 손실, 표지 효율의 저하 등의 문제점이 있다.

*조영제: CT 또는 MRI 영상신호의 대조도를 높일 수 있는 약품

*전분화능: 단일 세포가 그 유기체의 모든 세포로 분화할 수 있는 능력

 

연구팀은 화학수용체를 이용하여 다양한 조영제 나노입자를 줄기세포에 쉽게 표지할 수 있는 기술을 개발하였다.

 

이 기술은 체내에 이식된 줄기세포의 생존과 분화과정에 대해 15일 이상 추적이 가능하며 형광영상뿐만 아니라 MRI, CT에 이용되는 다양한 조영제를 줄기세포에 표지할 수 있다. 또한 세포독성과 이상증식에 대한 부작용이 적어 생체 적합성이 높다.

 

김광명 박사는 이번 연구성과는 줄기세포 추적 영상화 기술과 다양한 줄기세포 치료제의 효능을 평가하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

 

*논문명 : In Vivo Stem Cell Tracking with Imageable Nanoparticles that Bind Bioorthogonal Chemical Receptors on the Stem Cell Surface

*저자 정보: 김광명 박사(교신저자, 한국과학기술연구원), 이상민 교수(공동제1저자, 원광대학교), 윤화인 박사(공동제1저자, 한국과학기술연구원)

 

논문의 주요 내용은 다음과 같다. 

 

1. 연구의 필요성

 

최근 줄기세포의 전분화능과 재생 능력은 다양한 학문적 분야 및 임상학적으로 큰 적용 가능성을 보이고 있다.

성공적인 줄기세포 치료를 위해서는 체내에 이식된 줄기세포의 생존, 생체 내 분포 및 미세환경 내 줄기세포의 기능과 같은 일련의 정보를 정확하게 추적 하는 것이 필수이다.

 

2. 연구 내용

 

간편하고 안전한 줄기세포 표지기술 개발을 위해 연구팀은 당대사공학(metabolic glycoengineering)*과 생물직교성 무동 클릭화학(Bioorthogonal copper- free click chemistry)*을 이용하여 줄기세포 표면에 다양한 나노조영제*로 표지 될 수 있는 화학수용체를 만들고 이를 이용하여 줄기세포의 추적 영상화 기술을 개발하였다.

*당대사공학(metabolic glycoengineering): 인공 당과 당단백질 합성과정을 이용하여 세포 표면에 화학적 표지가 가능한 수용체를 도입할 수 있는 기술

*생물직교성 무동 클릭화학(Bioorthogonal copper-free click chemistry): 구리촉매 없이 두 분자의 반응기간의 상호작용을 통해 두 분자를 특이적으로 연결하는 결합 반응

* 나노조영제 : 조영효과가 있는 나노크기의 입자

 

먼저 줄기세포 표면에 화학수용체를 만들기 위하여 아자이드(N3)*가 도입된 만노자민 유도체*(Ac3ManNAz)를 인간 지방유래 중간엽 줄기세포(adipose tissue-derived human mesenchymal stem cell)*와 함께 배양한 후 당대사공학(metabolic glycoengineering)을 통해 줄기세포 표면에 화학수용체(N3)를 발현시켰다.

그리고 화학수용체와 생물직교성 무동 클릭화학(Bioorthogonal copper-free click chemistry)으로 결합이 가능한 형광체 함유 글리콜 키토산 나노입자(BCN-CNP-Cy5.5), 산화철 나노입자 함유 글리콜 키토산 나노입자 (BCN-CNP-IRON), 금 나노입자 함유 글리콜 키토산 나노입자(BCN- CNP-GOLD)를 이용하여 줄기세포 표면에 근적외선 형광영상화, MRI, CT 영상이 가능한 다양한 조영제 나노입자를 표지 할 수 있었다.

*아자이드(N3): 질소원자 3개로 구성된 화학 작용기

*만노자민 유도체(Ac3ManNAz): 클릭화학이 가능한 작용기인 아자이드기를 수식한 만노자민

*중간엽 줄기세포(adipose tissue-derived human mesenchymal stem cell): 인간 지방에서 추출한 중간엽 줄기세포

 

또한 생체 외 조건에서 연구팀이 개발한 줄기세포 표지 기술은 세포에 존재하는 당 단백질 합성과정을 이용하기 때문에 세포독성이 없고 줄기세포의 전분화능에 영향을 주지 않는 것을 지방조직 및 뼈조직으로 분화 실험을 통해 확인하였다.

연구팀은 실험용 쥐의 피하에 형광체 함유 글리콜 키토산 나노입자(BCN- CNP-Cy5.5), 산화철 나노입자 함유 글리콜 키토산 나노입자(BCN-CNP- IRON), 금 나노입자 함유 글리콜 키토산 나노입자(BCN-CNP-GOLD)로 표지하여 이식한 줄기세포를 근적외선 형광영상, MRI, CT 영상 등으로 분석한 결과, 줄기세포의 추적 영상 감도가 뛰어날 뿐 아니라 동시에 오랜 기간 동안 추적 가능한 것을 확인하였다.

 

3. 연구 성과

 

당대사공학(metabolic glycoengineering)과 생물직교성 클릭화학(Bioorthogonal copper-free click chemistry)을 통해 새로운 줄기세포 표지기술 개발했다.

개발된 표지기술로 MRI, CT, 형광 조영제 나노입자를 줄기세포에 표지하여 생체 외?생체 내 조건에서 추적 영상을 획득하였다.

줄기세포 추적영상화 기술 분야 및 줄기세포 치료제의 효능을 평가하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

 

▲ 신개념 줄기세포 표지 기술의 모식도     © 특허TV

 

그림설명 : 신개념 줄기세포 표지 기술의 모식도

줄기세포 표면에 화학수용체를 만들기 위하여 아자이드 (N3)기가 도입된 만노자민 유도체 (Ac3ManNAz)를 인간 지방유래 중간엽 줄기세포(adipose tissue-derived human mesenchymal stem cell)와 함께 배양하여 당대사공학(metabolic glycoengineering)을 통해 줄기세포 표면에 화학수용체 (N3)를 발현 시켰다. 그리고 화학수용체와 생물직교성 무동 클릭화학(Bioorthogonal copper-free click chemistry)으로 결합이 가능한 형광체 함유 글리콜 키토산 나노입자(BCN-CNP-Cy5.5), 산화철 나노입자 함유 글리콜 키토산 나노입자 (BCN-CNP-IRON), 금 나노입자 함유 글리콜 키토산 나노입자(BCN-CNP-GOLD)를 이용하여 줄기세포 표면에 근적외선 형광영상화, MRI, CT 영상이 가능한 다양한 조영제 나노입자를 표지하였다.

 

 

▲ 줄기세포 추적 영상 개념도     © 특허TV

 

그림설명 : 줄기세포 추적 영상 개념도

실험용 쥐의 피하에 이식된 형광체 함유 글리콜 키토산 나노입자(BCN-CNP-Cy5.5), 산화철 나노입자 함유 글리콜 키토산 나노입자 (BCN-CNP-IRON), 금 나노입자 함유 글리콜 키토산 나노입자(BCN-CNP-GOLD)로 표지된 줄기세포를 각각 근적외선 형광영상, MRI, CT 영상을 바탕으로 체내 추적 영상을 분석한 결과, 15일 이상 형광영상 및 MRI, CT 영상을 통한 이식된 줄기세포의 관찰이 가능하였다. 특히 당대사공학과 생물직교성 무동 클릭화학(Bioorthogonal copper-free click chemistry)을 통해 줄기세포를 표지하는 경우 다량의 조영제를 줄기세포에 도입할 수 있기 때문에 조영제 나노입자를 단독으로 처리한 경우보다 MRI (5.4), CT (2.5) 높은 영상 신호를 검출할 수 있었다.

닉네임 패스워드 도배방지 숫자 입력
내용
기사 내용과 관련이 없는 글, 욕설을 사용하는 등 타인의 명예를 훼손하는 글은 관리자에 의해 예고 없이 임의 삭제될 수 있으므로 주의하시기 바랍니다.
 
줄기세포,줄기세포치료 관련기사목록
포토뉴스
[글로벌 특허 브리핑⑮] Apple이 준비하는 혁신기술은?