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홍합은 거친 파도를 맞으면서도 바위나 방파제에 달라붙어 생존하는데, 이는 홍합이 만들어내는 특별한 접착성분때문입니다.

홍합접착단백질은 현재 알려진 어떠한 화학 접착제보다도 강력한 접착력과, 수중에서도 접착이 가능하고, 에폭시 수지보다 두 배나 뛰어난 인장강도를 지니고 있으면서도 휘어질 수 있는 유연성을 가지고 있고, 플라스틱이나 유리, 금속, 테플론, 생체물질 등 다양한 종류의 표면에 접착할 수 있는 능력을 갖고 있습니다.

게다가 생체 내에서 인간세포를 공격하거나 면역반응을 일으키지 않아 생체친화적인 접착재료로 다양한 응용 잠재력을 가지고 있습니다.

과학자들은 이를 이용해 손상된 뼈나 피부 등의 치료에 이용하려는 연구를 진행하고 있는데요.

여기에 사용되는 지지체는 이식된 세포가 조직에 효과적으로 자리 잡을 수 있도록 도와줄 뿐만 아니라, 세포가 효율적으로 조직을 재생할 수 있도록 유도하는 중요한 역할을 담당합니다.

대표적으로 지지체는 손상된 연골, 피부, 혈관과 같은 조직 치료를 위해 광범위하게 활용되고 있습니다.

특히 3차원 지지체는 조직재생에 적합한 구조적인 이점 때문에 최근들어 각광 받고 있지만, 고분자로 이루어진 지지체 표면에 특정 기능을 부여하는 것이 쉽지 않고 효율적이지 못하기 때문에 세계 연구팀들은 이보다 쉽고 효율적인 표면개질 방법을 개발하려고 노력 중입니다.

포스텍 차형준 교수 연구팀이 안전하면서도 접착력과 코팅력이 뛰어난 홍합접착단백질을 이용해 손상된 뼈 조직을 효과적으로 재생하는 '기능성 3차원 지지체'을 개발했습니다.

연구팀은 손상된 뼈 조직을 재생하기 위해 3차원 지지체에 줄기세포를 표면에 부착했습니다.

이 때 지지체 표면에 줄기세포의 견고한 접착을 위해 홍합접착단백질을 사용했고, 여기에 줄기세포가 뼈로 분화가 잘 되도록 기능성 펩타이드를 첨가했습니다.

이 같은 방법을 쥐 실험에 적용한 결과 뼈 재생 효과가 기존보다 4배 이상 향상되는 것으로 나타났습니다.

차 교수팀은 지난 2010년에도 교과부와 연구재단의 지원으로 홍합접착단백질에 세포를 활성화시키는 생체기능성 펩타이드를 결합해, 세포의 특성을 그대로 살리면서도 접착력이 뛰어난 기능성 세포접착제를 개발한 바 있습니다.
(Biomaterials지, 2010년 9월)

연구팀은 이를 기반으로 손쉬운 표면개질방법을 이용해 뼈 세포를 활성화시키는 펩타이드가 표면에 효율적으로 노출되도록 유도하여 효과적으로 뼈 조직을 재생하는 3차원 지지체를 구현했습니다.

특히 이번에 개발된 3차원 지지체는 사람의 지방으로부터 추출한 줄기세포가 잘 붙고 성장하며, 뼈 조직으로 분화되도록 도와준다는 사실을 확인했습니다.

또한 연구팀은 파손된 쥐의 두개골에 3차원 지지체를 이식할 경우 아무 것도 이식하지 않은 쥐에 비해 4배 이상 높은 뼈 재생효과가 있으면서도 어떠한 부작용도 없음을 확인했습니다.

이번 연구는 연구팀이 자체 개발한 재조합 홍합접착단백질이 조직공학용 생체소재로서 실제 활용될 수 있음을 동물실험을 통해 확인한 첫 번째 사례로, 향후 다양한 인체 조직재생을 위한 기능성 지지체 코팅소재로 활용될 전망입니다.

이번 연구는 포스텍 차형준 교수와 조동우 교수, 가톨릭대 이종원 교수 등이 참여했습니다.

연구결과는 생체소재 분야의 권위 있는 학술지인 'Acta Biomaterialia'지 온라인판(4월 2일자)에 게재되었습니다.
(논문명: Enhancement of bone regeneration through facile surface functionalization of solid freeform fabrication-based three-dimensional scaffolds using mussel adhesive proteins)

자유 형상 가공법을 이용해 제조한 3차원 고분자 지지체 및 재조합 홍합접착단백질의 표면 코팅 형상

자유 형상 가공법을 이용하여 위 그림 A와 같이 적층 및 격자 형태로 제조된 조직공학 지지체의 전자현미경 이미지를 얻을 수 있다. 이러한 고분자 지지체 표면을 두 종류의 재조합 홍합접착단백질(fp-151, fp-151-RGD) 용액에 담가서 손쉽게 코팅할 수 있고, 그림 B와 같이 홍합접착단백질이 표면에 고르게 코팅되었음을 전자현미경을 통해서 관찰할 수 있다.  


홍합접착단백질이 표면 코팅된 3차원 기능성 지지체의 세포활성화 효과

홍합접착단백질이 코팅된 3차원 지지체의 세포와의 상호작용을 알아보기 위해 인간지방유래 줄기세포를 이용하여 세포배양 실험을 수행한 결과, 세포의 부착, 성장, 그리고 골세포로의 분화 능력이 fp-151-RGD가 코팅된 지지체에서 가장 우수함을 (A) integrin β의 mRNA 발현 분석 (B) DNA의 양 분석 (C) Ca2+ 이온의 농도 분석을 통하여 각각 확인할 수 있었다.

 

홍합접착단백질이 표면 코팅된 3차원 기능성 지지체의 동물모델에서의 뼈 조직 재생효과 확인

쥐 두개골에 그림 1에서와 같이 제조된 3차원 기능성 지지체를 이식하여 뼈 조직의 재생효과를 알아본 결과, 재조합 홍합접착단백질(fp-151-RGD)이 코팅된 지지체와 줄기세포를 함께 이식한 군이 다른 군에 비해 뼈 조직 재생효과가 매우 우수함을 마이크로 CT 분석(A,B,C) 및 조직염색법(D)을 통해 확인하였다.



<연 구 개 요>

조직공학은 손상된 조직을 재생 및 회복시키는데 활용하기 위한 분야로서, 세포와 지지체, 생리활성물질을 조합한 형태로 인체의 손상된 조직 부위에 이식하는 전략이 사용된다.
위 세 가지 구성요소 중 지지체는 이식된 세포가 유실되지 않고 조직 주위에 자리를 잡고 효과적으로 기능할 수 있도록 도와주는 매우 중요한 역할을 한다.
따라서 다양한 구조와 형태를 가지는 조직공학 지지체를 제조하는 방법들이 개발되어 왔다.

조직공학 지지체를 제조하는 여러 방법들 중, 자유형상 가공기술(solid freeform fabrication)은 이식될 조직의 모양에 맞춤식으로 디자인 할 수 있고 다공성 구조를 세밀하게 조절하면서 3차원 지지체를 제조할 수 있다는 장점을 가지고 있지만, 합성 고분자를 재료로 사용하기 때문에 세포와의 상호작용 기능을 강화시켜줘야 한다는 단점을 가지고 있다.

이러한 단점을 극복하기 위해, BMP-2 성장인자가 도입된 hydrogel이나 microsphere를 이용해 세포의 기능성을 향상시키고자 하는 노력들이 있었지만, 새로운 재료를 만들어야 한다는 복잡함이 있고, 아직까지는 다양한 연구들이 많이 이루어지지 않았다.

이번 연구에서는 홍합접착단백질의 우수한 접착력과 코팅력을 이용해 별도의 표면개질 절차를 거치지 않고 손쉽게 지지체 표면을 기능성 표면으로 개질할 수 있었다.

또한, 이렇게 손쉽게 표면개질된 3차원 지지체를 이용하여 뼈 조직재생을 위한 연구에 응용하였다.
먼저 인간지방조직유래 줄기세포의 기능성(부착, 성장 및 뼈 세포로의 분화능력)이 홍합접착단백질의 코팅으로 인해 향상되었음을 세포 배양 실험을 통해서 확인할 수 있었다.
그리고 쥐를 이용한 동물실험을 통해서 손상된 두개골의 재생이 홍합접착단백질의 코팅으로 인해 역시 향상되었고 주변 조직에 아무런 독성도 없음을 확인할 수 있었다.
따라서 이번 연구는 홍합접착단백질의 우수한 접착력과 기능성, 생체적합성을 동물실험 단계에서 확인한 첫 번째 보고사례라는 점에서 그 의의를 가진다고 할 수 있다.



 용  어  설  명

재조합 홍합접착단백질 (recombinant mussel adhesive protein) :
해양생명체인 홍합은 접착단백질을 생산, 분비함으로써 홍합 자신을 바다 속의 바위와 같은 젖은 고체표면에 단단히 부착할 수 있도록 하여 강한 파도의 충격이나 바다 속의 부력 효과에도 저항할 수 있다.
접착을 위해 홍합에서 만들어져 분비되는 홍합접착단백질은 종류와 성질을 구분하기 위하여 foot protein의 약자인 fp라는 단어를 사용하여 분류한다.
이는 홍합접착단백질이 홍합의 발에서만 분비되기 때문에 붙여진 이름이다. 현재까지 발견된 홍합접착단백질은 총 6가지로, 각각의 홍합접착단백질은 fp-1에서 fp-6까지 이름이 붙어져 있다.
홍합접착단백질은 다양한 장점을 가지고 있는데, 현재 알려진 어떠한 화학합성 접착제보다도 강력한 접착력과 수중에서의 접착이 가능한 접착능력을 가지는 것으로 알려져 있고, 대부분의 에폭시 수지보다 두 배 정도의 향상된 인장강도를 지니고 있으면서도 휘어질 수 있는 유연성을 가지고 있으며, 플라스틱, 유리, 금속, 테플론 및 생체물질 등 다양한 종류의 표면에 접착할 수 있는 능력을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.
또한, 생체 내에서 인간세포를 공격하거나 면역반응을 일으키지 않아 생체친화적인 재료로 알려져 있어서 생체접착제 및 생체재료로의 다양한 응용 잠재력을 가지고 있다.
하지만 현재까지 상용화되어 있는 것은 홍합에서 자연 추출한 제품이 유일하며 1g의 접착단백질을 얻기 위하여 1만 마리의 홍합이 필요하기 때문에 현재 1g에 7만 5000달러의 높은 가격으로 판매되고 있다.
이에 현재로는 세포접착제로만이 용도 개발되어 있다.
그러므로 홍합접착 단백질의 유전공학적 생산기술에 많은 연구들이 이루어져 왔지만 현재까지 본 연구팀이 전세계적에서 유일하게 우수한 접착능력을 가지는 재조합 홍합접착제의 대량생산기술을 보유하고 있다.

조직공학 지지체 (tissue engineering scaffold) :
조직공학은 세포와 지지체, 생리활성물질을 조합한 형태로 인체의 손상된 조직 부위에 이식하여 조직을 재생 및 회복시키는데 활용하기 위한 분야로서, 지금까지 대표적으로 손상된 연골, 피부, 혈관 등과 같은 조직에 대한 치료를 위하여 활용되고 있으며 다양한 조직으로 확대 및 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행 중이다.
조직공학의 세 가지 요소인 세포, 지지체, 생리활성물질 중에 지지체는 이식된 세포가 조직 부위에 효과적으로 자리를 잡도록 도와줄 뿐만 아니라 세포가 조직 재생을 위한 기능을 효율적으로 수행할 수 있도록 유도해주는 중요한 역할을 담당한다.

자유 형상 가공 기술 (solid freeform fabrication technology) :
자유 형상 가공 기술은 조직공학 지지체를 제조하는 다양한 방법 중 하나로서, 컴퓨터의 프로그램에 따라 원하는 단면 형상을 제작하고 이를 적층시킴으로써 원하는 형태 그대로 제작이 가능하며, 내부 구조의 높은 상호연결성을 가져 종래의 방법의 단점을 보완하는 새로운 인공지지체 제작 방식이라고 할 수 있다.   

기능성 펩타이드 (bioactive peptides) :
실제 인체의 조직 내의 세포 주변에는 세포가 자랄 수 있도록 도와주는 기질 역할을 하는 세포외기질이 존재하는데, 세포외기질에는 세포의 기능을 활성화시켜줄 수 있는 기능성 생체분자물질들이 존재하며, 주로 당과 단백질 성분으로 구성되어있다.
특히 이러한 세포외기질에 존재하는 기능성 단백질은 크기가 비교적 큰데, 전체 단백질 중에 세포와 상호작용을 하는 특정 짧은 아미노산 (2~20개) 서열 부위만을 기능성 펩타이드라고 부르며, 크기가 작으면서도 해당 단백질의 기능을 수행할 수 있기 때문에 공학적으로 광범위하게 이용되고 있다.

인간지방조직유래 줄기세포 (human adipose tissue-derived stem cells) :
환자의 복부, 엉덩이, 옆구리 등에서 지방을 뽑아낸 후, 그 지방 조직으로부터 추출한 성체줄기세포를 의미한다. 상대적으로 풍부한 공급원으로부터 많은 세포 양을 확보할 수 있다는 장점을 가지고 있고, 뼈나 연골, 신경 등 다양한 조직으로 분화시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 뼈 조직 재생에 큰 역할을 한다는 것으로 알려져 조직공학 연구를 위한 줄기세포공급원으로서 주목받고 있다.

쥐 두개골 결손모델 (rat calvarial defect model) :
뼈 조직 재생의 정도를 알아보기 위한 동물실험모델의 한 종류로서, 쥐의 두개골에 약 8 mm 지름의 원형의 결손부를 형성시키고 그곳에 실험하고자 하는 지지체를 이식하고 두개골을 덮은 후에, 일정한 시간이 지난 후 두개골의 뼈 조직 재생이 얼마나 이루어졌는지 알아보는 방식으로 실험이 진행된다.

생체기능성 펩타이드 :
2~20개의 짧은 특정 아미노산 서열로, 인체의 조직을 구성하는 세포의 활성을 도와 공학적으로 광범위하게 이용되고 있음


 

<차형준 교수>

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 포항공과대학교 화학공학과                    
             
2. 학력
  1986 - 1990  서울대학교 화학공학과 학사   
  1990 - 1992  서울대학교 화학공학과 석사  
  1992 - 1995  서울대학교 화학공학과 박사
 
3. 경력사항
  1995 - 1996  한국생명공학연구원 박사후연구원  
  1996 - 1999  미국 University of Maryland 박사후연구원, 연구교수
  1999 - 현재  포항공과대학교 화학공학과 조교수, 부교수, 교수
  2010 - 현재  포항공과대학교 해양대학원 SA교수  
  2010 - 현재  국토해양부 해양바이오산업신소재연구단 단장 
  2012 - 현재  포항공과대학교 세아젊은석좌교수 

4. 전문 분야 정보
- Associate editor (SCI Journal): BMC Biotechnology (2010~), Applied Biochemistry and Biotechnology (2010~), Korean Journal of Chemical Engineering (2009~)
- Editorial board member (SCI Journal): Enzyme and Microbial Technology (2007~), Process Biochemistry (2005~), Microbial Cell Factories (2004~)
- SCI 논문 100여 편, 국내외 특허 출원/등록 50여건

5. 수상 경력
2011 포스텍 차세대 과학자
2010 바다의날 국무총리상
2010 12회 송곡과학기술상
2008 국가연구개발 우수성과 100선 교육과학부장관상
2008 범석논문상 (한국화학공학회)
2007 담연학술상 (한국생물공학회)

<조동우 교수>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 포항공과대학교 기계공학과                      
 
2. 학력
  1976 - 1980  서울대학교 기계설계학과 학사   
  1980 - 1982  서울대학교 기계설계학과 석사  
  1983 - 1986  University of Wisconsin-Madison 기계공학과 박사

3. 경력사항
  1987 - 1988  Robotics Institute, Carnegie Mellon University 교환교수
  1996 - 1996  University of British Columbia 기계공학과 교환교수    
  2007 - 2008  University of Toronto, Mount Sinai Hospital, Pathology and     Laboratory Medicine, 교환교수
  2011 - 2011  대한기계학회 바이오공학부문 회장
  2006 - 2009  포항공과대학교 초소형기계기술연구소 소장  
  1986 - 현재   포항공과대학교 기계공학과 조교수, 부교수, 정교수

4. 전문 분야 정보
- Associate editor: ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering (2002~2008)
- Editorial board member: International Journal of Mechatronics and Manufacturing Systems (2006~), International Journal of Precision Engineering and Manufacturing (2006~), Biofabrication (2008~)
- SCI 논문 150여 편, 국내외 특허 출원/등록 40여건

5. 수상 경력
1994 Outstanding Young Manufacturing Engineer Award
2002 백암논문상
2003 가헌학술상
2010 국가지정연구과제(NRL) 우수성과 100선 입상

<이종원 교수>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 가톨릭대학교 의과대학 성형외과학교실                    
              
2. 학력
  1975 - 1981  가톨릭대학교 의과대학 의학과 의학사   
  1986 - 1988  가톨릭대학교 대학원 외과학 의학석사  
  1990 - 1993  가톨릭대학교 대학원 성형외과학 의학박사
 
3. 경력사항
  1996 - 1997  미국 듀크대 성형외과 연수, 교환교수  
  2009 - 2011  가톨릭의대 서울성모병원 수련교육실장
  1999 - 현재   가톨릭의대 성모병원 성형외과 조교수, 부교수, 정교수, 과장
  2006 - 현재   가톨릭의대 의과대학 성형외과학교실 주임교수

4. 전문 분야 정보
- 대한성형외과학회 편집위원 (2004~)
- 한국조직공학재생의학회(KTERMIS) 부회장 겸 학술위원장 (2011~)
- 국내외 학술논문 180여 편, 다수의 임상시험연구 경험

5. 수상 경력
2000-2003, 2005, 2006 대한성형외과학회 기초논문학술상
2010 가톨릭 이념구현 개인상

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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