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생체 내 줄기세포 모니터링 기술 개발
연구책임자 : 임은경
작성일 : 2021-03-11
조회수 : 1130

생체 내 줄기세포 모니터링 기술 개발

- 자기공명영상(MRI) 활용한 줄기세포의 생체 모니터링 시스템 개발
- 생체 내 이식된 줄기세포의 지속적인 추적 확인으로 효과적인 치료 전략 개발 기대


□ 국내연구진이 효과적인 줄기세포 치료 목적을 위한 자기공명영상 기반의 줄기세포의 생체 모니터링 시스템을 개발하였다. 인간 줄기세포 모니터링 전략을 통하여 향후 효율적인 줄기세포 치료 전략 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

 ㅇ 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 바이오나노연구센터의 임은경 박사(교신저자: 임은경 박사, 제1저자: 강병훈 박사)는 연세대학교 화공생명공학과 함승주 교수팀(교신: 함승주 교수, 제1저자: 한승민 박사), 영상의학과 허용민 교수팀(교신)과 공동연구로 수행한 이번 연구 결과는 바이오 센서 분야의 세계적 저널인 바이오 센서와 바이오 일렉트로닉스지(Biosensors and Bioelectronics, IF 10.257) 1월 26일자(한국시각 1월27일) 온라인 판에 게재되었다. 

    - 논문명 : In vivo monitoring platform of transplanted human stem cells using magnetic resonance imaging (첨부파일 참조)

□ 줄기세포는 다양한 세포로 분화 및 자가재생산이 가능하므로 이를 활용해 손상된 조직, 장기를 재생해 치료하는 줄기세포 치료제에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 

 ㅇ 줄기세포 중 유도만능줄기세포는 신체 모든 기관으로 분화가 가능한 세포로, 인간 성체의 체세포를 역분화시켜 만들 수 있다. 유도만능줄기세포는 배아줄기세포와 유사한 능력을 가지고 있으면서도, 배아세포를 파괴하면서 제작되는 배아줄기세포의 윤리적 문제와 환자 체세포를 역분화하여 유도 제작하여 면역 거부 반응 문제를 해결할 수 있는 세포로 각광 받고 있다.  

 ㅇ 유도만능줄기세포에서 유래된 성체 줄기세포는 제한된 증식과 낮은 이동 속도로 특정 세포로의 분화를 유도하여 치료 효과를 향상시키는 연구가 다수 진행되었다.

 ㅇ 이와 더불어 유도된 줄기세포의 1~2%만이 표적 조직에 도달되고 나머지는 손실되기 때문에, 줄기세포 분화 치료 효과에 대한 검증이 필요한 상황이었다.  

□ 연구팀은 특수 망간나노 입자를 개발하고, 이를 적용하여 줄기세포의 표적 모니터링이 가능한 ‘인테그린 β1 항체(MnOHo-Ab)’를 제조하였다. 그리고 자기공명영상장치를 이용하여 전임상에서 이식된 인간 줄기세포의 최소 침습적 모니터링 방법을 개발하였다. 


    * integrin β1 : 줄기세포 계통에서 발현되는 integrin β1을 표적으로 하여 줄기세포의 분화 단계에 관계없이 표적 모니터링이 가능한 마커

 ㅇ 연구팀은 정맥에 주사 된 ‘integrin β1-망간나노 입자(MnOHo-Ab)’는 마우스 고환(testis)으로 전달되어 다양한 계통으로 분화 된 인간 유도 만능 줄기세포(hiPSC)에 대한 모니터링이 가능함을 확인하였다.

 ㅇ 이번에 개발된 생체 모니터링 기술은 주입된 인간 줄기세포가 치료되는 긴 시간 동안 표적 부위로 이동 및 이식이 잘 되었는지 보여준다. 

□ 연구책임자인 임은경 박사는 “줄기세포를 이용한 재생 의학 분야에서, 전임상 모델 내 줄기세포의 표적 질환 부위로 이식 및 이동을 자기공명영상 기술을 이용하여 시각적 입증이 가능하게 했다는 것이 우수한 점” 이라며 

 ㅇ “이번에 개발된 성과는 체내에 주입한 줄기세포가 목적 세포로 잘 전달되었는지, 추후 줄기세포 치료 진행 여부의 확인이 가능한 영상 플랫폼을 개발한 것으로, 향후 바이오 의약 분야의 줄기세포 치료 분야에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.


 
< 그림 설명 >

- 그림 1. 특정 인테그린을 표적하는 중공 구조의 MnO 나노 입자 (MnOHo-Ab)를 사용하여 MR 영상 기반의 인간 줄기세포의 모니터링 시스템의 개략도

 MnOHo-Ab는 이식 후 모든 계통에서 분화 된 인간 줄기세포를 표적으로 하고 모니터링 할 수 있음

- 그림 2. 생체 내 인간 줄기세포 이식을 모니터링하기 위한 MnOHo-Ab 제조 확인

 a) MnOHo-Ab 입자의 투과전자현미경 이미지
 b) MnOHo-Ab의 자화도 확인
 c) MnOHo-Ab 농도별 T1/T2 강조 이미지 확인

- 그림 3. 생체 내 인간 줄기세포 이식을 모니터링하기 위한 MnOHo-Ab의 이미징 시간 최적화

 a) MnOHo-Ab 및 MnOHo의 정맥 주사 후 다양한 시간(주사 전 : 주사 전, 즉시 : 주사 직후 및 주사 후 1, 2 및 4 시간)에서의 생체 내 T1 가중 MR 이미지;
빨간색 점선 내의 영역은 hiPSCs 유발 기형종 영역
 b) a)에서 MRI 이미지의 빨간색 점선 영역의 상대적 T1 신호 강도(%) (신호 강도 (%) = ΔR / RNT, 여기서 ΔR = R-RNT);
빨간색 막대와 파란색 막대는 각각 MnOHo-Ab 및 MnOHO를 나타냄

- 그림 4. 전임상 수준에서 MnOHo-Ab의 인간 줄기세포 이식 모니터링

 a) MnOHo-Ab를 사용하여 줄기세포 이식을 모니터링하는 MRI 기간을 일정하게 하여 마우스에게 MnOHo-Ab를 투여함.
MRI 이미지는 hiPSCs를 마우스 고환으로 이식 한 후 매주 확인함
 b) MnOHo-Ab(주사당 2mg Mn)의 정맥 주사 후 생체 내 T1 강조 MRI 이미지
 c) 상대 T1 신호 강도 (신호 강도 (%) = ΔR / Rpre, 여기서 ΔR = R-Rpre) 빨간색 파선의 영역.
주황색 및 빨간색 막대는 각각 사전 주입 및 주입 후 2시간의 T1 신호 강도를 나타냄


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