심혈관계 질환은 전세계 사망원인 중 가장 큰 원인으로 꼽히고 있다. 심장은 끊임없이 수축과 이완을 반복해 혈액을 전신으로 공급하는 펌프 역할을 한다. 심혈관이 갑자기 막히게 되면 심장 근육의 심각한 손상을 초래하고, 손상된 이후에는 재생능력이 떨어져 점차 본래의 기능을 상실하면서 심부전에 빠지고 결국 사망까지 이르게 된다.
심장재생 분야는 전 세계적으로 성체줄기세포 연구가 꾸준히 이뤄지고 있으나, 임상시험 결과 약 2~4% 정도의 심구혈률 개선 효과를 보이고 있어, 성체줄기세포를 이용한 치료법은 효과가 미흡한 실정이다. 이는 손상된 심장의 척박한 미세환경과 지속적으로 박동하는 장기의 특성 때문에 줄기세포의 잔존효과가 매우 떨어져 본래의 재생기능을 충분히 발휘하지 못하기 때문이다.
이런 줄기세포 치료의 한계를 극복하기 위해 가톨릭대 서울성모병원 순환기내과박훈준 교수팀(박봉우 박사과정, 정수현 연구원), 홍콩시립대 반기원 교수, 포스텍 장진아 교수팀(산스크리타 다스 박사) 등 공동 연구팀은 기능강화 엔지니어링 줄기세포를 이용해 성체줄기세포의 기능을 극대화시킬 수 있는 생체 내 자극(In vivo priming) 전략을 수립하고, 심근경색 부위의 혈관과 심장근육을 재생시키는 패치형 심근경색 치료제를 개발하는데 성공했다.
이번 연구는 가톨릭중앙의료원 산하 가톨릭세포치료사업단의 골수유래 중간엽 줄기세포(가톨릭 마스터세포)와 ㈜에스엘바이젠이 개발한 HGF(간세포성장인자) 발현 엔지니어링 줄기세포를 이용해 진행됐다. 공동연구자인 포항공대 장진아 교수팀이 제공한 심장유래 세포외기질 바이오잉크에 총 1× 106개(1:1)의 세포를 봉입해 3D 심장패치를 제작했다. 또한 HGF 발현 엔지니어링 중간엽 줄기세포는 체내에서 장기 생존하면서 발생될 수 있는 안전성 문제를 차단하고 세포 분열과 분화를 조절하기 위해, 체내 이입 시 100cGy의 방사선을 조사해 최종 세포주를 제작했다.
심근경색 동물모델에 제작한 3D 심장패치를 이식해 심기능 호전 여부를 확인한 결과, 골수유래 중간엽 줄기세포/HGF 발현 엔지니어링 중간엽 줄기세포의 혼합세포군에서 심근경색 대조군 및 단독세포 패치군에 비해 좌심실의 심구혈률 및 구획단축률이 향상됐다. 또한 심근경색 후 유발되는 섬유화를 감소시키고 모세혈관 밀도를 증가시켜 재형성(adverse remodeling) 방지 효과도 나타났다.
이번 연구의 공동 교신저자인 박훈준 교수는 “골수유래 중간엽 줄기세포와 HGF를 발현하는 엔지니어링 줄기세포를 혼합한 3D 심장패치는 임상 적용 가능성이 있는 새로운 복합세포 융합 플랫폼으로, 기존 줄기세포치료가 가진 한계를 극복한 점에서 의의가 크다”고 밝히며 “기존의 치료법으로 완치가 불가능한 중증 허혈성 심장질환 환자들에게 새로운 치료 기회가 열릴 것”이라고 강조했다.
이번 연구는 저명한 국제학술지인 ‘사이언스 어드밴시스’에 25일자로 게재됐다.
한편 이 연구는 한국연구재단의 신진연구지원사업, 바이오의료기술개발사업, 대통령 포스트닥 펠로우십 및 IITP 명품ICT인재양성사업의 지원으로 진행됐다.
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