연세대학교 의과대학 의학공학교실 성학준 교수, 하현수 강사, 김혜선 연구원 연구팀은 산소 농도에 따라 다른 분화 양상을 보이는 골격계 세포를 실제와 같이 배양할 수 있는 시스템을 만들었다고 24일에 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’(Science Advances, IF 14.136)에 게재됐다.

산소는 신체 에너지 생산과 세포 분화 등에 관여한다. 대기 산소 농도는 21%이지만 체내에 들어와 폐와 혈관을 거쳐 신체 각 조직으로 퍼지면서 농도는 2~10%로 떨어진다. 골격계에서는 혈관 유무에 따라 조직마다 산소 농도가 다르다. 혈관이 없는 연골은 낮은 산소 농도를 가지는 반면 혈관이 존재하는 뼈 조직은 높은 산소 농도를 지닌다.

골격계 중 뼈 사이 공간을 채우고 있는 골수에서 유래한 중간엽줄기세포는 뼈와 연골 등으로 분화 가능한 생체 줄기세포 중 하나다. 중간엽줄기세포는 산소 농도에 민감한 만큼 다양한 산소 농도에서 중간엽줄기세포의 분화를 확인하는 연구가 진행되고 있다. 하지만 인체 혈관구조 모방이 힘들어 산소 농도에 민감한 실제 환경을 완벽하게 구현하기 힘들다는 한계가 있다.

연구팀은 다양한 산소 농도를 반영할 수 있는 세포배양 시스템을 개발하고 그 유효성을 확인하는 실험을 실시했다.

먼저, 컴퓨터 시뮬레이션 기술인 전산유체역학과 함께 젤라틴 기반 고분자 물질인 하이드로겔을 활용해 세포배양 시스템을 만들었다. 개발 시스템에서는 과산화수소가 촉매와 만나 산소와 결합하고 수소와는 분리하는 산화환원을 일으켜 산소가 만들어진다. 산소는 배지를 지나 하이드로겔 안에서 확산해 다양한 산소 농도를 갖춘 공간 구성을 띈다. 세포배양 시스템 공간은 실제 신체 산소 농도의 상대 비율에 따라 높음(42.72%), 중간(17.33%), 낮음(9.67%)으로 구분했다.

여기에 배양한 세포들은 주변 화학 성분 농도 차이를 인식하고 이동하는 주화성 원리에 따라 스스로 배양 가능한 산소 농도를 찾아 이동한다.

다양한 산소 농도 공간을 갖는 시스템에 연골세포와 골세포를 각각 배양했을 때 실제와 같이 연골세포는 낮은 산소 농도로 골세포는 높은 산소 농도로 이동했다.

이어서 골수 유래 중간엽줄기세포를 배양시스템 내 배양했다. 낮은 산소에서 배양했을 때는 연골세포로 높은 산소에서는 골세포로 분화하는 것을 확인했다. 저산소 중간엽줄기세포는 배양 시작 7~14일에 연골세포를 거쳐 골 분화로 이어졌다. 이렇게 중간엽줄기세포, 연골세포, 뼈로 이어지는 분화 과정을 ‘연골내 골분화’(endochondral osteogenesis)라고 한다. 고산소 중간엽줄기세포는 그대로 골세포에서 골로 분화하는 ‘막내 골분화’(intramembranous osteogenesis)를 거쳤다.

골수 유래 중간엽줄기세포를 연골, 골조직에 이식한 후에 실제 조직 분화와 세포배양 시스템 분화와 비교하며 개발 시스템의 유효성을 검증했다. 연골과 뼈(두개골)에 이식한 골수 유래 중간엽줄기세포는 각각 연골내 골분화, 막내 골분화를 겪으며 세포배양 시스템 분화와 같은 양상을 보였다.

성학준 교수는 “이번에 개발한 세포배양 시스템은 골다공증, 관절염 등 골격계 질환에서 산소를 이용한 치료법 개발에 큰 도움될 것”이라며 “활용 범위가 골격계에 그치지 않고 심장, 폐, 뇌 등 다양한 기관 연구에 활용할 수 있는 확장성이 큰 장점”이라고 말했다.