줄기세포 유도·뼈 형성 촉진 신개념 생체소재 나왔다

국내 연구진이 손상된 뼈의 재생을 돕는 생체소재(스캐폴드)를 개발했다. 또 젖산이 뼈 형성을 유도하는 새로운 작용 기전도 규명했다.

뼈는 골절이나 큰 결손이 생기면 자연적으로 회복되기도 하지만, 손상 범위가 크면 스스로 재생되기 어렵다. 이를 보완하기 위해 뼈가 자랄 수 있는 환경을 제공하는 생체소재를 개발하고 있지만, 기존 소재는 뼈를 지지하는 역할에 그치는 한계가 있었다.

이순철 차의과학대 교수(분당차병원 정형외과) 연구팀(김정인 연구교수시페시흘레 카산드라 논졸라 차의과학대 박사과정생)은 이같은 한계를 극복하기 위해 줄기세포를 손상 부위로 유도하고, 뼈 형성을 촉진하는 기능을 하나의 생체소재에 담은 차세대 골재생 스캐폴드를 개발했다.

연구팀은 뼈 재생에 필요한 칼슘을 공급하는 동시에 줄기세포의 골분화를 촉진할 수 있는 소재로 칼슘과 젖산을 함께 방출하는 젖산칼슘(Calcium lactate)에 주목했다. 젖산칼슘은 분해과정에서 칼슘과 젖산을 함께 방출하는데, 칼슘은 새로운 뼈를 만드는 데 필요한 무기질을 공급하고, 젖산은 줄기세포가 뼈세포로 성장하도록 돕는 역할을 한다. 이를 통해 식물 유래 성분인 셀룰로오스와 생체적합성 고분자기반의 스캐폴드에 젖산칼슘을 적용해 새로운 골재생 소재를 개발했다.

또 줄기세포를 손상 부위로 유도하는 단백질인 SDF-1을 스캐폴드 표면에 결합해 손상 초기 줄기세포가 모일 수 있는 환경을 조성했다. 스캐폴드 내부에서 칼슘과 젖산이 서서히 방출되면서 줄기세포의 골분화를 유도하고 새로운 뼈 형성을 촉진토록 설계한 게 이 기술의 특징이다.

특히 이번 연구를 통해 젖산이 단순한 대사 부산물이 아니라 뼈 재생을 유도하는 중요한 신호물질이라는 사실을 확인했다.

연구팀은 젖산이 세포 표면의 OR5AN1 수용체를 활성화해 줄기세포가 뼈세포로 분화하는 과정을 촉진하는 새 기전을 규명하면서, 골재생 연구에서 젖산의 새로운 역할을 제시한 의미 있는 성과로 평가받았다.

동물모델 실험에서도 새로 개발한 스캐폴드를 적용한 그룹은 기존 소재보다 새로운 뼈가 더 많이 생성됐으며, 골조직의 성숙도 역시 우수했다.

이순철 교수는 이번 연구는 뼈를 단순히 지지하는 소재를 개발한 게 아니라, 손상된 부위에 줄기세포를 모으고 스스로 뼈를 만들도록 유도하는 생체소재를 구현했다는 데 의미가 있다라면서 특히 젖산이 뼈 재생을 촉진하는 새로운 신호물질이라는 점을 밝혀 향후 골절, 골결손, 인공관절 수술 후 골재생 등 다양한 정형외과 치료에 활용될 수 있을 것으로 기대한다고 설명했다.

이번 연구는 생체재료 분야 국제학술지 Carbohydrate Polymers(IF 13.2)에 게재됐다.