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차세대 나노입자-줄기세포 복합체, 뼈 재생의 새 지평 열다

작성자대외협력실(강가람) 조회수2,779 등록일2025-10-26

[그림 5] 주요 논문 기여자(왼쪽 아래부터 시계 반대 방향으로 선문대 하미진 교수(1저자), 화학연 김기영 책임연구원(교신저자), 정원훈 선임연구원(공동저자), 최경진 연구원(공동저자)).jpg [1,228.7 KB]
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- 기존 세포 스페로이드(복합체)의 불균일 분화·세포 사멸 한계
- 나노입자 융합 줄기세포 스페로이드로 뼈 재생률 1.3배 향상
- 골손상 치료, 조직재생 플랫폼, 신약개발 평가모델 기대

□ 국내 연구진이 나노입자와 줄기세포를 결합해 3차원 뼈 조직 재생을 크게 개선하는 기술을 개발했다. 이는 골절이나 뼈 손상 환자의 치료뿐 아니라 차세대 조직재생 의학 분야에 중요한 전환점을 제시한다.

ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 김기영 박사, 선문대학교(총장 문성제) 하미진 교수 공동 연구팀은 인체 지방유래 줄기세포(hADMSC)와 다공성 실리카 나노입자(mSiO₂)를 결합해 ‘나노 바이오 하이브리드 세포’를 제작, 뼈 형성 능력을 높이는 데 성공했다.

□ 줄기세포를 활용한 3차원 세포 집합체(스페로이드, 오가노이드 등)는 장기나 조직을 모사하는 데 활용되어 왔다.

ㅇ 하지만 내부에 영양·산소 공급이 부족해 세포가 죽거나, 균일하게 뼈로 분화되지 못하는 문제가 있었다. 이러한 한계 때문에 실제 뼈 재생 치료나 약물 평가에 적용하기 어려웠다.

□ 연구팀은 줄기세포 표면에 나노입자를 고르게 부착해 세포들이 서로 얽혀 안정적인 구형 구조를 형성하도록 유도했다.

<[그림 2] 연구팀이 만든 다공성 나노입자>

ㅇ 나노입자는 줄기세포 사이에서 ‘지지대’와 ‘뼈 형성 촉진제’ 역할을 동시에 한다. 나노입자가 지지체 역할 뿐만 아니라 뼈 형성을 촉진하는 신호물질을 싣고 서서히 방출하며, 줄기세포가 원하는 방향으로 균일하게 분화되도록 유도하는 것이다. 마치 ‘영양제 캡슐’을 등에 짊어진 세포들이 스스로 뼈로 변신하는 것과 같다.

<[그림 3] 연구팀이 나노입자-줄기세포 복합체를 합성하고 있다>

ㅇ 이는 골절 환자의 회복 기간을 단축시키고, 고령화 사회에서 증가하는 골다공증·치매성 골손상 치료에도 활용 가능성을 보여준다.

ㅇ 실험 결과, 나노입자-줄기세포 스페로이드는 기존 방식보다 세포 생존율이 높고, 뼈세포로 균일하게 분화했다. 특히 쥐 두개골 결손 모델에 이식했을 때, 6주 만에 결손 부위의 36%가 새 뼈로 채워져 세포만으로 구성된 스페로이드 대비 약 1.3배 높은 재생률을 보였다.

<[그림 1] 나노입자-직조 줄기세포 기반 스페로이드의 뼈 재생 효과 입증 (실험 평가 결과)>

□ 이번 연구는 동물실험 단계지만, 향후 대형 동물 모델과 임상연구를 거치면 환자 맞춤형 뼈 이식재 개발에 적용할 수 있을 전망이다.

<[그림 4] 연구팀이 실험용 쥐에게 나노입자-줄기세포 복합체 이식 실험을 하고 있다>

ㅇ 화학연 김기영 박사는 “뼈뿐 아니라 연골, 피부 등 다양한 조직재생에도 확장될 수 있다.”라고 설명했다. 이영국 화학연 원장은 “줄기세포 기반 조직재생 기술을 통해 고령화 사회에 증가하는 골절 환자 치료에 기여할 수 있길 바란다.”라고 밝혔다.

ㅇ 이번 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 ACS Biomaterials Science & Engineering(IF : 5.5)에 2025년 8월 게재되었다. 김기영 화학연 박사가 교신저자로, 선문대학교 하미진 교수가 1저자로 참여했다.

ㅇ 이번 연구는 화학연 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 개인연구지원사업 및 산업통상자원부의 우수기업연구소육성사업의 지원으로 수행되었다.

* (2025년 8월 논문 링크 주소) https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.5c01131