약학대학 조동규 교수 연구팀, 줄기세포 엑소좀을 이용한 조직재생과 만성질환 치료효과 규명

 [그림1]약학대학 조동규 교수

약학대학 조동규 교수, 김학균 대학원생이 한양대학교 공대 조용우 교수 연구팀과 함께 지방조직 유래 줄기세포 엑소좀(Exosome)을 통한 골관절염의 예방과 치료에 적용될 수 있는 연구결과를 분야 최상위 저널인 Journal of Extracellular Vesicles(IF 11.0) 3월 9일자에, 백색지방과 베이지색 지방으로의 분화과정 중에 얻은 엑소좀을 통한 지방조직 재생과 당뇨 및 대사질환에 적용될 수 있는 새로운 연구결과를 국제학술지 Science Advances(김학균 공동제1저자)(IF 12.804) 3월 27일자에 연달아 발표하였다.

외부환경에 따라 다양한 세포로 분화할 수 있는 능력을 가진 성체줄기세포를 이용하여 외상이나 수술로 손상된 조직 치료에 적용될 수 있어 재생의학 분야에서 주목받고 있다. 하지만 체내 주입 시 줄기세포의 생존율이 매우 낮고 면역거부 반응 및 발암성의 위험이 항상 내재되어 있어 줄기세포 치료를 보완/대체하려는 연구들이 이뤄지고 있다.

이와 관련해서 줄기세포 치료제의 조직재생 유도가 줄기세포에서 분비되는 여러 생체활성 인자들에 의한 것이라는 보고되었다. 모든 세포는 ‘엑소좀’이라는 나노소포체를 분비하여, 다른 세포에 신호를 전달하며, 특히 줄기세포에서 분비되는 엑소좀은 조직재생에 관여하는 다양한 신호전달 물질과 생체활성인자를 함유하고 있다고 알려져 있다.

때문에 생존율이 낮은 줄기세포 자체보다는 의약품 형태로 대량생산 및 보관이 용이하고, 체내 안전성 면에서 유리한 줄기세포 엑소좀을 의약품으로 활용하려는 개발하려는 시도가 잇따르고 있다.

이에 연구팀은 지방조직 유래 줄기세포 엑소좀을 활용하여 여러 만성질환에 적용하여 그 효능을 입증하려 했고, 먼저 골관절염 모델에 적용하여 질병의 진행을 완화시킬 수 있다는 사실을 밝혔다. 줄기세포 엑소좀은 인간 골관절염 연골세포의 증식과 이동을 향상시키는 것 뿐 만 아니라, 염증성 사이토카인 IL-1β 존재하의 골관절염 세포 모델에서 2형 콜라겐의 합성을 증가시키고 세포외기질 분해효소의 활성을 억제하여 연골세포을 보호하는 것을 규명하였다. 나아가 랫 골관절염 모델과 Destabilization of the medial meniscus(DMM) 수술을 통한 마우스 골관절염 모델을 통하여, 줄기세포유래 엑소좀이 골관절염의 진행을 완화시키고, 연골을 보호하는 것을 확인하였다.

또한, 원하는 조직으로의 효과적인 분화 및 재생을 유도하기 위해, 분화하는 줄기세포로부터 분비되는 엑소좀을 이용하여 백색/베이지색 지방세포로 분화를 유도하고, 지방조직의 재생 및 활성화를 촉진시키는 ‘분화유도 엑소좀’을 개발하였다. 우리 몸에서 백색지방은 체내 항상성 유지나 에너지 저장을 담당하며 베이지색 지방은 에너지 소모를 통한 열 발생을 담당한다. 특히 베이지색 지방은 당뇨·비만 등 각종 대사 질환을 해결해 줄 열쇠로 주목받기 시작했다. 백색 지방세포로 분화를 유도하는 엑소좀(D-EV)을 생체 적합성 하이드로겔과 혼합 후 생쥐(mouse)에 투여하자 4주 동안 주입된 하이드로겔의 부피가 유지되고 주변 지방세포들이 유입되어 지방조직의 재생이 촉진됨을 확인하였다. 또한 베이지색 지방세포로의 분화를 유도하는 엑소좀(BD-EV)을 고지방 식이를 하는 생쥐에 투여하였을 때, 베이지색 지방세포를 활성화시켜 비만으로 인한 체중증가를 억제하고, 고지방식이에 의한 지방간도 완화되는 것을 확인하였다. 분화유도 엑소좀 내부에서 특이적 miRNA들을 발견하였고, 이들이 특정 세포로 분화하는데 기여한다.

이와 같이 줄기세포 엑소좀을 퇴행성 관절염과 당뇨 같은 다양한 만성 또는 염증성 질환에 적용할 수 있고, 더 나아가 원하는 조직세포로의 분화를 유도하여 더욱 효율적인 조직의 재생이 가능함을 보여주었다.

[그림설명] 지방조직 유래 줄기세포를 배양할 때 얻는 배지를 통해 엑소좀(hASC-EV)을 분리하여, 이를 골관절염 연골조직에 적용하여 효능을 확인함. 또한, 백새지방으로 분화시킬 때 얻는 엑소좀(D-EV)와 베이지색 지방으로 분화시킬 때 분리하는 엑소좀(BD-EV)을 통하여, 각각 지방조직 재생과 비만/당뇨와 같은 대사질환의 적용가능성을 확인함.