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 차의과학대학교 바이오공학과 조직재생공학 연구실은 최용수 교수님의 지도아래 줄기세포를 이용한 치료제 개발, 줄기세포 대량 배양 시스템 연구, 생리 활성 물질 분리 및 대량 생산공정 분야에 집중적인 연구를 하고 있습니다. 이를 통하여, 바이오의학 산업 발전에 기여하고, 우수한 연구 성과를 도출하고 있습니다. 5년 이라는 짧은 연구실 역사지만, 20여 편의 국제 수준의 논문을 발표 하였으며, 21건의 특허(PCT 6건)를 출원하였습니다. 본 연구실은 현재 최용수 교수님을 포함하여, 연구 교수 1명, 연구원 4명, 박사과정 3, 석사과정 2명으로 각자 맡은 바 연구에 최선을 다해 바이오의학의 산업화에 기여하고자 오늘도 연구에 매진하고 있습니다.

 최근에 스키, 스노우보드, 테니스, 자전거, 조깅 등과 같은 실외 스포츠뿐 아니라 농구, 런닝 머신을 비롯한 실내 스포츠 그리고 미끄러운 길에서 넘어짐으로써 발생하는 낙상사고 등으로 인하여 무릎연골 손상사례가 많이 보고되고 있습니다. 또한, 연골 손상 중 퇴행성관절염은 관절염의 가장 흔한 형태로서 25세 이상 인구 중 2천7백만 명의 환자수가 추정되며 연령층이 올라갈수록 높은 발병률을 보이는 질병이라 할 수 있습니다. 이와 같이 급증한 연골손상 환자를 치료하기 위한 기존에 시행되던 진통제 복용, 또는 인공관절 치환술 등은 근본적인 치료법으로서 대안이 되지 못하여 새로운 치료법이 필요한 상황입니다. 본 연구실에서는 연골재생에 유용한 단백질을 과량 분비하는 탯줄유래 중간엽 줄기세포와 생체 소재를 사용하여 외과적 수술 없이 간단한 치료를 통해 환자의 고통을 감소 시켜 주기 위한 연구를 진행하고 있습니다.

• 줄기세포은행 구축 및 특성 분석
• 줄기세포에서 분비하는 유용한 사이토카인 분석
• 생체 소재 개발 연구
• 연골 손상 및 퇴행성 연골 치료를 위한 줄기세포 치료제 개발

[그림 1. 동물 모델을 이용한 줄기세포 연골 치료제의 효능 평가]

 최근 항공우주연구에 있어 가장 큰 관심사는 우주환경(미세중력)에서의 장기체류 (3-5년)로 이때에 다양한 문제가 나타날 것으로 예견하였습니다. 이를 해결하기 위해 우주환경 (미세중력)에서 우주비행사 혹은 실험동물에게 나타나는 생리적인 변화가 매우 중요하게 인식되었습니다.
 우주 비행 환경에 노출되는 동안 하지 부분(다리근육 등)의 중력부하는 크게 감소하였습니다. 그 결과 근육은 위축되고 근섬유의 크기는 감소하였습니다. 이러한 감소는 체력과 지구력의 감소로 이어지기 때문에 우주비행사들이 긴 시간 동안 신체적 활동을 유지할 수 있는 충분한 근력을 발생시키지 못합니다.
 이에 대한 줄기세포 치료 기술을 개발하고자, 우주 미소중력 환경과 유사하게 지상에서 무부하(unloading) 환경을 만들어 동물 모델을 구축하였습니다. 근위축증 동물 모델을 제작을 통해 근 위축증의 현상과 근육 감소 현상을 관찰하고, 줄기세포의 근육 투여를 하여 근 재생에 어떠한 효과를 나타내는지 비교 분석 하였습니다.

[그림 2. 근위축 유도 동물 모델]

 줄기세포 주입 군은 근육 재생관련 인자들이 크게 증가하는 것을 관찰하였습니다. 또한 근섬유의 크기와 젖산 분해능이 뚜렷하게 향상되었습니다. 이는 우주인뿐만 아니라, 최근 급격한 인구의 고령화와 현대인들의 비활동성 증가에 따라 근위축(muscle atrophy) 발병이 증가하는 추세이기 때문에 이를 위한 예방과 치료법으로 제시 될 수 있을 것으로 기대됩니다.

 줄기세포는 질병 및 손상된 조직에 대한 재생치료를 담당한다는 점에서 가장 중요한 기술이나 손상된 조직과 장기의 근본적인 복원은 구현되지 않고 있습니다. 줄기세포 단독 세포치료제의 경우 세포의 생존율 및 생착률이 제한적 이여서 손상된 조직을 근원적으로 복구하지 못하는 기술적 한계 때문입니다. 이와 같은 기술적 한계를 극복하기 위하여 줄기세포와 피브린(fibrin), 콜라겐(collagen), 히알루론산(hyaluronic acid)과 같은 천연 생체소재를 접목한 조직공학 기술이 필요합니다. 생체재료 분야 중 콜라겐 관련 분야는 신규 분야로서 이식용 바이오센서, 인공근육, 약물전달 제제, 창상 피복제, 유착방지제 등과 콜라겐 단백질 구조 개선을 통한 신제품개발 연구가 진행되고 있습니다. 또한, 조직공학 분야에서 콜라겐 관련 생체재료 제품은 최근 활발히 성장하고 있으며, 뼈와 무릎의 대체, 근육, 심장질환제품과 기타 외과용 제품개발에 적용되고 있습니다. 본 연구실에서는 신생아 출생 후 버려지는 태반 및 탯줄에서 휴먼 콜라겐을 분리하여 조직재생을 위한 의료기기, 의약품 및 세포치료제 등을 개발하고 있습니다.

• 탯줄 유래 휴먼 콜라겐 공정 개발
• 탯줄을 이용한 의료용 복합 생체소재 및 치료용 조성물 개발
• 조직 수복용 복합필러 개발
• 생체 소재 개발을 위한 독성시험 연구

[그림 4. 탯줄 유래 콜라겐]

 세계적으로 여러 난치성 질환의 새로운 치료 전략으로 줄기세포 기술 개발에 대한 연구가 증가하고 있습니다. 이로 인해 세포치료제 분야의 급속한 발전과 더불어 재생의학 분야가 크게 확대되고 있는 시점에서 줄기세포를 이용한 세포 치료제 개발은 기술, 경제, 의료 산업 차원에서 매우 중요한 의미를 가집니다.
 그러나, 다양한 줄기세포의 확보기술과 분화유도기술이 개발됨에도 불구하고 줄기세포의 대량 증식 기술이 개발되지 못하여 실용화에 어려움을 겪고 있습니다. 현재 임상 단계거나 허가된 줄기세포 치료제의 사례를 보면 Cellerix사의 지방줄기세포 치료제의 경우 크론병 질환의 치료를 위해 1회 주입 시 최대 6천만개의 지방줄기세포를 사용하여 효과를 확인하였고, 안트로젠사의 크론성 누공 치료의 경우 누공 지름이 1 cm 일 때 1회 치료 시 지방줄기세포를 최소 3천만개를 투여하여 치료하였으며, 알앤엘바이오사의 하지허혈 질환의 경우 1회 투여 시 약 3억개의 지방줄기세포를 주사하였습니다.
 임상 중인 줄기세포 치료제의 대부분은 지방유래, 또는 골수줄기세포 등 성체줄기세포를 이용하고 있는데 성체줄기세포는 신체 각 조직에 극히 소량만이 존재하며 이를 치료목적으로 사용하기 위해서는 체외배양이 필수적입니다. 특히 중간엽 줄기세포 (mesenchymal stem cell)의 경우 치료 효과를 보기 위해서는 1회 주입 시 몸무게 kg당 100~500만개의 세포가 필요한 것으로 알려져 있으며 60 kg의 성인의 경우 1회 주입 시 최소 6000만개에서 최대 3억개의 세포가 필요합니다. 이처럼 줄기세포를 질병의 치료목적으로 인체에 적용하기 위해서는 1회 투여하는 줄기세포를 유효한 수만큼 늘리기 위한 배양 과정이 필수적이지만 기존 방식의 부착식 2-D culture로써는 많은 수의 세포 확보의 어려움이 있었습니다.
 줄기세포의 효과적인 적용을 위해 많은 수의 줄기세포를 확보할 수 있는 독창적인 줄기세포 대량 배양 기술 개발이 필요하며, 본 연구를 통해 안정된 줄기세포 대량 배양기술이 확보되면 많은 줄기세포 치료제 분야에서 응용될 수 있을 것으로 예상됩니다.

[그림 5. Bioreactor를 이용한 줄기세포 대량 배양]

 최근 인간 및 동물 유래 소재의 윤리 및 법적 문제로 인해 천연물 소재에 대한 관심도가 증가하고 있는 추세입니다. 천연물은 작물, 미생물 및 곤충산물을 이용하여 신 소재를 탐색하고 효능을 평가 하기 위해 많은 연구들이 진행되고 있습니다. 또한 천연 소재를 이용하여 의약용, 화장품용 및 기능성 식품으로 응용 제품들이 개발되고 있으며 세계 경쟁 시장에서의 경쟁력 우위를 차지할 수 있는 차별화된 신소재를 개발하는 것이 필요합니다.
 본 연구실에서는 다양한 천연물 소재 중 많은 효능이 알려져 있으며 천연물 원료 공급의 용이함 및 경제적, 산업적 부가가치를 크게 창출할 수 있는 누에를 선정하였으며 누에로부터 실크 단백질과 누에 체액을 분리하였습니다. 또한 대량 생산에 용이한 제조 공정을 개발을 통해, 미백 활성, 창상 치료용 드레싱제 개발, 우태아 혈청(Fetal Bovine Serum, FBS)을 대체할 줄기세포 동결 보존제에 활용 함으로서, 산업적 부가가치를 높이는 연구를 진행 중입니다.

[그림 6. 누에 실샘 유래 실크 단백질 분말 제조 공정 및 체액 유래 생리활성 단백질의 분리 공정 ]