1. 서론
줄기세포는 자가복원력(self-renewal)과 다양한 계 통으로의 분화능(multipotency)을 가지는 미분화세포 로서, 손상된 조직을 복구하기 위한 조직공학 분야에 서부터 환자 개인에 대한 맞춤형 질병 모델링, 신약 개발에서의 약물 효능 검사, 독성 스크리닝 등 다양 한 영역에 적용가능한 세포원으로서 각광받고 있다 [1]. 줄기세포는 다양한 물리학적, 생화학적 신호에 의해 정교하게 조절되는 미세환경인 니쉬(niche) 내 에 존재하고 있는데, 이러한 니쉬와 줄기세포의 상호 작용은 증식이나 계통 특이적 분화 등 줄기세포의 거 동(운명, fate)을 결정하는 매우 중요한 요인으로 밝혀 진 바 있다. 특히 다양한 생명공학 또는 의료 분야에 서 줄기세포를 원하는 목적에 맞게 효율적으로 활용 하기 위해서는 줄기세포의 거동을 시공간적으로 정
밀하게 제어하는 것이 매우 중요하다.
하이드로젤은 친수성 고분자 사슬의 물리화학적 가교를 통해 제조된 3차원 망상구조의 제형으로서, 열역학적으로 안정한 상태로 존재하며 인체 조직과 유사한 환경을 제공할 수 있어 세포의 부착과 증식을 위한 스캐폴드(scaffold)로서 활용되어 왔다 [2]. 그러 나, 일반적인 하이드로젤은 줄기세포 미세환경의 정 적인 부분만 모사할 수 있을 뿐, 동시다발적으로 발 생하는 동적 변화는 반영하기 어렵다. 한편, 자극 감 응성 하이드로젤은 고유의 물리화학적 특성에 따라 빛, 초음파, 자기장과 같은 체외 물리적 자극에 반응 하여 구조 또는 기능적인 특성의 변화를 나타내며, 이는 세포 외 기질(extracellular matrix, ECM)에서의 동적 환경변화에 대응하는 유의미한 신호로 변환될 수 있다 [3]. 이러한 자극 감응성 하이드로젤은 주변 환경에 따라 고분자 사슬의 이온화 상태나 친수성-
(Physical Stimuli-Responsive Hydrogel- Based Scaffolds for Stem Cell Fate Control)
조윤기
경북대학교 융합학부 의생명융합공학과 [email protected]
2012 포항공과대학교 산업경영공학과 공학사
2017 포항공과대학교 화학공학과 공학박사
2017-2018 포항공과대학교 화학공학과 박사후연구원 2017-2018 신슈대학교 의생명섬유공학부 특임조교수
2018-2020 University of Pennsylvania 화학생명공학과 박사후연구원
2020-현재 경북대학교 융합학부 의생명융합공학과 조교수
소수성 균형의 변화를 통해 부피나 형태가 조절될 수 있으며, 이를 기반으로 기질(matrix)의 역학적 특성 이나 분해도, 세포 접착성 리간드, 국소 미세구조 등 의 시공간적 제어(spatiotemporal control)를 통해 줄기 세포의 거동을 원하는 방향으로 조절할 수 있는 지능 형 스캐폴드로서 활용하기 위한 시도가 이루어지고 있다 [4]. 이 중에서도, 물리적 자극으로 인한 하이드 로젤의 변화는 기질의 가역적인 변화를 동반하는 경 우가 많아, 주로 공유결합 기반의 화학결합과 관련된 pH 등의 화학적 자극에 비해 ECM의 동적환경을 모 사하는 데 있어 장점을 지닌다. 본 기고에서는 대표 적인 물리적 자극인 온도, 빛, 전기장에 반응하는 하 이드로젤을 기반으로 줄기세포의 거동을 조절하는 원리를 소개하고, 조직공학 및 의생명공학 분야의 적 용 사례에 대하여 간략히 살펴보고자 한다.
2. 본론
1) 온도 감응성 하이드로젤
온도 감응성 고분자는 외부 온도에 따라서 수용액 내 용해도가 달라지는 성질을 지니며, 특정 온도에서 물리적으로 하이드로젤을 형성하는 가역적인 졸-젤 상전이(sol-gel phase transition; 그림 1a) 또는 수용액 상에 용해되지 않고 온도 변화에 따라서 팽윤(swell- ing)-응축(shrinkage)을 나타내는 부피 상전이(volume phase transition; 그림 1b)가 일어난다. 이러한 상전 이가 발생하는 온도를 임계 용해온도(critical solution
temperature)라 하며, 온도 변화에 특이적으로 저임 계 용해온도(low critical solution temperature, LCST) 또 는 고임계 용해온도(upper critical solution temperature, UCST) 방식으로 졸-젤 상전이를 나타낸다 [5]. LCST 를 갖는 물질은 저온에서 수용액에 대한 용해도가 높 아 균일상을 보이다가, 특정 온도 이상이 되면 용해 도의 감소로 인해 상분리를 이루며, UCST를 갖는 물 질은 이 반대로 높은 온도에서 균일상을 이루다가 특 정 온도 이하에서 상분리를 나타낸다. 대표적인 온 도 감응성 고분자로서, 32 ℃에서 LCST를 갖는 것으 로 알려진 poly(N-isopropylacrylamide)(PNIPAM)을 예 로 들면 (그림 1c), PNIPAM은 LCST보다 낮은 온도에 서는 고분자의 극성부분과 물 분자 사이의 수소결합 에 의해 물에 분산되어 있으나, 고온에서는 소수성인 isopropyl 그룹이 탈수되어 소수성 상호작용(hydro- phobic interaction)의 비중이 커지면서 고분자의 응축 이 일어나고, 코일에서 구형으로 부피 전이가 일어나 면서 상분리가 일어난다 [4].
온도 감응성 하이드로젤은 자가회복력(self-healing ability), 주입성(injectability), 가역성(reversibility) 등 의 특성을 지니고 있어 적용과 가공이 용이하므로, 같이 체온 또는 배양 온도에서의 in vitro 세포 배양 및 in vitro 이식을 위한 3차원 스캐폴드로서 활용되 어 왔고, 최근에는 온도에 따라 기계적·구조적 특 성을 변화하여 줄기세포 거동을 제어하기 위한 연구 도 활발하게 진행되고 있다. RAFT 중합법(reversible addition-fragmentation chain-transfer polymerization)
그림 1. 온도 감응성 고분자의 (a) 졸-젤 상전이 및 (b) 부피 상전이 그래프. (c) PNIPAM의 화학구조.
계적 특성을 조절할 수 있는 하이드로젤이 개발된 바 있다 [7]. 이외에도 온도 감응성을 지니는 천연 고분 자인 셀룰로오스 변이체, 키토산, 젤라틴, 합성 고분 자인 poly(ethylene oxide)-poly-(propylethylene oxide) (PEO-PPO) 블록 공중합체, poly(organophosphazenes) 등을 활용하여 다양한 형태의 하이드로젤을 제조하 기 위한 연구가 수행되고 있다 [8].
2) 광 감응성 하이드로젤
빛에 반응하는 광화학적 작용기(o-nitrobenzylester, azobenzene, coumarin 등)를 포함하는 하이드로젤은 빛을 조사한 국소부위에서 광 에너지를 이용하여 고 분자 사슬의 분해 또는 구조적인 변화를 나타내며, 이는 줄기세포의 거동 제어에 다양하게 활용될 수 있 다 [9,10]. 특히, 광 조사는 간편하고 비침습적인 방법 으로, 주변 조직이나 세포에 대한 영향 없이 목표 부 위에만 에너지를 원격 적용할 수 있다는 장점이 있기 때문에 세포 거동 조절을 위한 물리적 자극으로서 각 광받고 있다. 빛은 파장에 따라 조직 하부의 수 마이 크로 미터에서 수 센티미터 깊이까지 침투할 수 있는 데, 상대적으로 파장대가 짧은 자외선과 가시광선은 주로 피부의 국소작용에 사용되는 반면에, 파장대가 긴 근적외선 또는 적외선의 경우에는 내부 장기 부분 에 적용되는 경우가 많다 [11].
광 감응성 하이드로젤은 빛에 의한 광분해(photo- cleavage), 광이성체화 (photoisomerization), 광이합체 화(photodimerization) 등의 반응을 통해 생화학적 신 호(biochemical cue)를 제공하거나 3차원 기질의 기계 적인 특성을 변화하여 줄기세포의 거동에 영향을 주 는 것으로 알려져 있다 [11]. 구체적으로, 빛의 세기, 파장, 조사 시간, 빛의 입사각 등 광 조사의 여러 파라
를 이용한 poly(ethylene glycol)(PEG) 하이드로젤은 365 nm의 파장을 갖는 자외선을 조사하여 강성을 조 절할 수 있으며, 그에 따라 인간 중간엽 줄기세포(hu- man mesenchymal stem cell, hMSC) 내에서 분화와 관 련된 전사인자의 발현 양상이 달라짐이 확인되었다 [13]. Thiol-ene 기능성 PEG 하이드로젤은 자외선의 조사 시간과 단량체 비율에 따라 강성 조절이 가능하 며, 역시 hMSC의 거동을 조절하는 데 적용될 수 있음 이 밝혀진 바 있다 [14].
3) 전기장 감응성 하이드로젤
체내의 많은 조직은 신생혈관 형성, 유사분열 (mitosis), 세포 신호전달, 창상 회복 등의 생물학적 프 로세스를 수행하는 과정에서 내재성 전기장을 형성 하고, 이는 줄기세포의 거동에 큰 영향을 주는 것으 로 알려져 있다 [15]. 줄기세포 니쉬에 형성된 전기장 은 세포막의 탈분극(membrane depolarization)에 영향 을 주게 되며, 이는 곧 세포막에 형성된 전압을 바꾸 어 줄기세포의 가소성(plasticity)을 야기한다 [16]. 특 히, hMSC의 Na+/K+ ATPase 저해제에 의한 세포막 탈분극이 전환분화(transdifferentiation) 또는 줄기능 (stemness)을 증가시키는 현상을 통해 생물전기학적 신호가 생화학적 신호보다 강한 영향력을 지니는 것 이 밝혀진 바 있다 [17]. 체외 전기장은 세포 또는 조 직에 전극을 꽂고 외부 전원에 연결하여 직류(direct current), 교류(alternating current), 전기용량형 커플링 (capacitive coupling), 유도식 커플링(induced coupling) 등의 방법을 통해 형성할 수 있다 (그림 2) [16]. 이 중 직류 전기장은 많은 세포 유형에 대하여 생존도나 증 식 양상에 영향을 주지 않고 세포의 형태와 이동을 조절할 수 있어 활용도가 높은 한편, 전기용량형 커
플링이나 유도식 커플링의 경우 세포를 비침습적으 로 전기장에 노출시킬 수 있는 방법이다 [18]. 이러한 방식으로 외부 전기적 자극을 부여하여 3차원 스캐폴 드 내에서 줄기세포의 거동을 조절하기 위하여 전도 성 생체재료 기반의 하이드로젤 개발이 활발하게 이 루어지고 있으며, 대표적인 전도성 고분자인 poly- pyrrole, polyaniline (PANI), polythiophene 변이체 등이 활용된다 [19].
3. 결론
앞서 살펴본 바와 같이 온도, 빛, 전기장과 같은 물 리적 자극에 반응하는 하이드로젤은 대부분 가역적 이고 비침습적인 자극 부여가 가능하다는 장점을 지 닌다. 이외에도 초음파나 자기장, 기계적인 힘(압축 력, 인장력 등)에 반응하여 구조적·기계적 특성을 변화시키는 하이드로젤이 다양하게 개발되고 있으 며, 이를 기반으로 줄기세포의 거동을 제어하려는 노 력이 이어지고 있다. 또한, 이러한 외부 자극들의 조 합을 통해 다중 자극 감응성 하이드로젤을 구현함으 로써, 줄기세포 니쉬의 다양한 환경특성들을 보다 정 밀하게 제어하는 연구에도 진척이 나타나고 있으며, 이를 통해 시공간적인 줄기세포 거동의 조절이 현실 화되고 있다. 특히나 이러한 경향성은 개인화된 정밀 의학을 위한 생명화학공학 및 조직공학 분야에 적극 적으로 반영되어, 환자 유래의 오가노이드(organoids) 및 3차원 질병모델을 개발하는 데 활용하기 위한 연 구가 활발하다. 이 경우, 적용된 에너지원은 줄기세
포의 스캐폴드를 이루는 기질의 구조 및 기계적 특성 을 변화하거나 생활성 신호들을 제공함에 있어 면밀 한 조절가능성을 부여함으로써, 줄기세포를 in vitro 환경에서도 실제 조직내의 구조나 세포 패턴과 흡사 하게 배양할 수 있는 인공 세포외기질을 개발할 수 있도록 한다. 이처럼 줄기세포의 거동을 제어하기 위 한 물리적 자극 감응성 하이드로젤 시스템은 첨단 스 캐폴드 플랫폼으로서, 생물학적 기초연구나 질병의 진단 및 치료, 조직의 재생 등 넓은 범위에서 더욱 다 양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
4. 참고문헌
![[신진연구자 칼럼] CO2 포집을 위한 새로운 탄소 기반 흡착제 개발](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)