산화아연 나노입자를 이용한 줄기세포 리소좀 표적 아연 이온 및 활성산소 생성 메커니즘

가톨릭대학교 바이오메디컬화학공학과 나건 교수 연구팀이 손상된 간의 회복을 돕는 줄기세포 치료에 산화아연 나노입자를 융합해 줄기세포의 치료 효과를 획기적으로 높여 난치성 간 질환 치료의 새로운 가능성을 제시했다.

가톨릭대 바이오메디컬화학공학과 나건 교수(교신저자), 생명공학과 박나은 박사(공동 제1저자), 바이오메디컬화학공학과 김경섭 교수(공동 제1저자)는 ‘줄기세포 기반 간 재생치료에서 산화아연 나노입자를 이용한 면역조절 기능 향상 기술’을 개발했다. 이번 연구 결과는 생체재료 분야 유명 국제학술지인 ‘Biomaterials (IF=12.8)’에 온라인 게재됐다.

만성 간 섬유화 동물모델을 제작 후 산화아연 나노입자 봉입 줄기세포(ZnBA)를 주사한 결과. 염증부위에 줄기세포가 침투하여 면역억제 반응을 유도했으며, 이로 인해 섬유화 결절(fibrotic nodule)의 수가 감소하고 염증성 사이토카인의 수치 또한 유의미하게 감소하는 효과를 나타냈다.

최근 간 손상, 간 섬유화의 치료법으로 간이식 대신 손상된 간 스스로의 회복을 도와주는 줄기세포 치료제가 차세대 재생치료제로 주목받고 있다. 줄기세포는 손상된 조직을 회복시키고 면역 반응을 조절하는 능력이 있지만, 생체 내 줄기세포의 생존력이 떨어져 손상 부위까지 잘 도달하지 못한다는 문제로 치료 효과가 제한적이다.

이에 연구팀은 줄기세포의 생존력과 치료 효능을 동시에 높이기 위해 산성 환경에서만 작동하는 친수성 고분자로 표면을 개질한 ‘산화아연 나노입자’를 개발했다. 산화아연 나노입자는 분해 시 아연 이온과 활성산소종(ROS)을 방출하는데, 두 물질은 줄기세포의 증식을 촉진할 뿐만 아니라 염증을 억제하고 조직 재생에 필수적인 세포 신호 전달을 활성화시켜 치료 효과를 극대화한다.

실험 결과, 나노입자를 처리한 줄기세포(ZnBA)는 일반 줄기세포 대비 간 손상 부위로의 이동률이 두 배 이상 증가했으며, 간세포 생존율도 최대 40% 이상 향상되었다. 또한, ZnBA를 투여함으로써 염증성 면역세포(Th17, M1 대식세포)는 감소하고, 항염증성 면역세포(Treg, M2 대식세포)는 증가해 간 섬유화 치료에 유리한 면역 환경이 조성되었으며, 간성상세포에서는 α-SMA, Pro-collagen 1, TIMP-1의 발현 감소와 MMP-1 증가를 통해 섬유화 억제 효과가 입증되었다.

가톨릭대 바이오메디컬화학공학과 나건 교수는 “줄기세포의 활성화를 조절하는 정밀 제어 기술을 확보해 다양한 난치성 질환에 응용할 수 있게 됐다”며 “차세대 재생의료 산업의 활성화는 물론 간이식 수요 감소, 환자의 삶의 질 향상, 의료비 절감 등 공공보건 측면에서도 긍정적인 효과가 기대된다”고 밝혔다.