차 의과학대학교 분당차병원(원장 윤상욱) 신경외과 한인보 교수와 미국 럿거스대학교 이기범 교수 공동연구팀이 외상성 뇌손상(Traumatic Brain Injury, TBI)의 근본적 치료를 위한 새로운 치료 플랫폼을 개발했다. 연구팀은 ‘저산소 조건에서 배양한 줄기세포의 세포외소포체(Extracellular Vesicles, EV)’ 를 생체직교형 하이드로젤(bioorthogonal hydrogel, BIOGEL)에 손상된 뇌 부위에 지속적으로 전달하는 치료법을 제시했다.
이번 연구 결과는 ‘저산소 유도 EVs를 활용한 외상성 뇌손상 치료용 첨단 생체재료 전달 플랫폼(Advanced Biomaterial Delivery of Hypoxia-Conditioned Extracellular Vesicles(EVs) as a Therapeutic Platform for Traumatic Brain Injury)’ 제목으로 재생의학 분야의 세계적 학술지 ‘Advanced Science (Impact Factor: 14.3)’에 게재되었다.
외상성 뇌손상은 1차 손상 이후 치료를 하더라도 손상된 뇌 내에서 신경염증, 혈관 기능 이상, 신경세포 및 지지세포 손실 등 다양한 2차 손상이 진행된다. 이는 정상조직의 세포까지 영향을 미쳐 회복을 더욱 어렵게 하는 주요 요인으로 꼽히며 결과적으로 운동·기억·인지 기능 저하로 이어진다. 수술이나 약물치료는 출혈, 부종, 염증을 완화해줄 수 있지만 손상된 신경 자체를 재생시키는 근본 치료는 거의 불가능했다.
한인보 교수팀은 인간 유도만능줄기세포(hiPSC)로부터 분화된 신경전구세포(Neural Progenitor Cells, NPC)를 저산소 유도제(Deferoxamine, DFO)로 처리해 손상된 뇌와 유사한 저산소 환경을 만들었다. 이를 통해 신경재생 및 혈관 신생에 중요한 단백질(VEGF)과 마이크로RNA(miRNA-9)가 풍부한 세포외소포체(EV)를 생산했다. 최근 줄기세포 연구에서 각광받고 있는 세포외소포체는 손상 조직 회복, 염증 조절에 뛰어난 효과가 있다고 알려져 있다. 하지만 세포외소포체 단독으로 사용했을 때는 효과적으로 전달되지 않거나, 유지시간이 짧거나, 활성도가 충분하지 않은 한계점이 있었다.
이 한계를 극복하기 위해 연구팀은 세포외소포체와 함께 젤라틴 기반의 생체적합 하이드로젤(BIOGEL)을 탑재해 손상된 뇌 부위에 주입했다. 하이드로젤(BIOGEL)은 뇌 조직과 유사한 탄성을 지니며, 손상 부위에 밀착되어 세포외소포체를 서서히 방출함으로써 손상된 부위에 오랜 시간 지속적으로 치료 신호가 전달되도록 돕는다
연구 결과, 외상성 뇌손상 모델에서 하이드로젤(BIOGEL)-EV 복합체를 주입한 결과, 손상된 뇌 조직의 병변 크기가 40% 이상 감소, 신경세포 재생과 축삭(신경 연결부) 재형성, 혈관 재생 및 염증 억제, 운동 및 인지 기능의 회복이 확인되었다.
한인보 교수는 “이번 연구는 외상성 뇌손상 치료의 핵심 문제인 2차적 염증 반응과 신경회복 실패를 동시에 해결할 수 있는 새로운 접근법을 제시했다”며 “저산소 조건에서 유래한 세포외소포체(EV)의 생물학적 신호를 생체적합적 전달체 하이드로젤을 통해 안정적으로 전달함으로써 임상적으로 적용 가능한 신경재생 치료 전략의 가능성을 입증했다”고 밝혔다.
또한 “이번 연구는 기존의 세포치료가 가진 면역학적 한계를 극복하고 비세포 기반의 나노 생체 치료제 개발의 기반이 될 것이며 향후 척수손상, 허혈성 뇌질환 등 다양한 신경계 질환 치료로 확장될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.
한 교수는 그간 줄기세포 유래 생체소재 및 나노하이브리드 플랫폼을 이용한 중추신경계 재생 연구를 지속해 왔으며, 최근에는 국제학술지 ‘Bioactive Materials(IF: 20.3)’, ‘ACS Nano(IF: 16.1)’, ‘Biomaterials(IF: 12.9)’ 등에 연속 게재되는 등 세계적으로 주목받는 연구 성과를 이어가고 있다. 이러한 성과로 지금까지 ‘한국을 빛낸 사람들’에 11회 등재되며, 국내 척추재생 의학을 대표하는 연구자로 평가받고 있다.
이번 연구는 차의과학대학교 분당차병원과 미국 럿거스대학교의 공동 연구로 수행되었으며 한국연구재단 및 범부처재생의료기술개발사업의 지원을 받아 진행되었다.
