신기술동향 1. 하이드로젤의 조직공학적 응용

[能田]

신기술동향

서울공대지 2018 Winter No. 111

생체 내에서 줄기세포는 복잡한 미세환경 (microenvironment)에 싸여 있다. 특히 줄기세포 미세환경에 따라 줄기세포의 분열 (proliferation) 및 분화 (differentiation)가 변하기 때문에 줄기세포를 이용한 재생의학에서는 줄기세포의 미세환경을 최대한 optimize하기 위해 하이드로겔 기반 스케폴드를 구축하려고 하고 있다. 특히 줄기세포의 미세환경이 다양한 세포외기질(extracellularmatrix, ECM)로 되어 있어서 탈세포화된 조직 (decellularized tissue)을 이용한 다양한 생체모사형 하이드로겔 관련 논문들이 최근 발표되고 있다. 따라서 본 원고에서는 다양한 기능성 하이드로젤이 조직공학 분야에서 어떻게 활용되고 있는지에 대해 소개하고자 한다.

조직에 결함이 생기거나 세포 기능에 문제가 생겼을 때 해당 세포 또는 분화 가능한 줄기세포를 이식함으로써 조직을 재생시키고 기능을 회복시키고자 하는 세포 치료 및 조직공학 연구는 오래 전부터 진행되어 왔다. 하지만 세포만 주입하게 되면 면역반응 및 염증반응 등의 척박한 환경 때문에 세포가 살 수 없게 되어 대부분 사멸하게 된다. 따라서 세포가 죽지 않고 세포의 본래 기능을 유지할 수 있는 지지체 연구가 활발히 수행되어 왔다. 이를 위해 생체 내 환경을 제공해 줄 수 있는 생체적합성 및 기능성 하이드로젤이 적합한 지지체로 연구되고 있다. 하이드로젤은 친수성 고분자의 네트워크로 이루어진 삼차원 구조체이며, 구성요소 중 90% 이상이 수분으로 이루어져 있다. 하이드로젤은 친수성 고분자들이 세포를 감싸며 망상구조를 형성하기에 하이드로젤의 성분에 따라 줄기세포의 생리활성도 조절도 가능하다는 장점이 있다. 특히 하이드로젤은 어떠한 고분자를 주사슬로 정하느냐 또는 가교방식을 무엇으로 정하느냐에 따라 다양한 성질을 나타낼 수 있다. 이를 통해 연구자가 원하는 기계적, 화학성, 생리활성, 분해성 성격을 지니는 하이드로젤 지지체 구성이 가능하다.

조직공학에서는 주로 주입형 하이드로젤을 필요로 하고 있다. 이는 단순한 주입으로 하이드로겔과 줄기세포를 원하는 부위에 적용 (delivery)이 가능하고 외과적 수술이 불필요하기 때문이다. 하이드로젤이 주입형으로 이용되기 위해서는 두 가지 요건이 충족 되어야 한다. 먼저 체외에서는 유체와 같이 유동성을 갖추어야 하며, 주입 후에는 화학적 혹은 물리적 자극에 의해 젤화 될 수 있어야 한다. 따라서 일반적으로 주입형 하이드로젤은 체외에서는 유체 형태였다가, 인체 주입 후에는 젤 형태로 변화한다. 이러한 하이드로젤의 특성은 주입식이라 최소한의 외과적 침해를 주기 때문에, 채취한 줄기세포를 체내에서 원하는 위치까지 이동시킬 때 용이하다. 또한, 유동성 있는 젤 상태이기 때문에 물과 영양분의 이동이 원활하며, 결손된 부위에 맞게 적절한 형태의 지지체를 쉽게 형성한다. 뿐만 아니라 세포 독성도 적은 편이며 기계적 성질도 다른 형태에 비해 우수하다. 하이드로젤을 가교시키는 방식은 크게 물리적 및 화학적 가교방식 두 가지로 나누어진다. 물리적 가교방식으로는 이온결합(ionic interaction), 소수성 상호작용(hydrophobic interaction), 수소결합(hydrogen bond), 그리고 구조적으로 분자의 얽힘에 의한 가역적 가교방식 등이 있다. 이 가교방식들을 통해 가교를 위한 별도의 화학첨가제 혹은 복잡한 과정이 필요 없이 용이하게 삼차원 망상 내부구조 형성을 유도할 수 있다. 반면, 화학적 가교방식은 일반적으로 공유결합에 의한 비가역적 방식이며 물리적 가교방식에 비해 안정적인 네트워크를 형성한다.

세포 간 상호작용, 세포 거동 및 세포 증착 등을 통해 기능성 조직을 제작하는 데에 하이드로젤의 네트워크를 형성하는 고분자의 분해가 아주 중요한 요소이다. 따라서 하이드로젤의 분해를 제어하기 위한 방법으로 Hubbell 그룹은 단백질 분해효소 (protease)로 분해되는 펩타이드를 기존의 폴리에틸렌 글리콜 기반 하이드로젤 고분자에 결합하여, 단백질 분해효소를 이용한 세포외 기질의 분해 기작을 모방하는 하이드로젤을 최초로 개발하였다 [1]. 더 나아가 최근에는 외부의 특정 자극에 의해 반응하는 하이드로젤 개발이 활발히 진행되고 있다. 인체는 조직부위에 따라 혹은 질병 상태에 따라 서로 다른 생리적 환경을 가지며 특정 자극에 반응하여 역동적으로 변화한다. 빛, 온도, 초음파, 전기 등의 외부 자극에 반응해 구조적 변화를 보이는 자극 감응형 고분자를 이용하여 하이드로젤 형성 및 구조적 변화가 가능하며 이를 이용한 줄기세포의 생리활성도를 조절할 수 있다. 예를 들어 콜로라도 대학교희 Anseth교수 팀은 폴리에틸렌 글리콜 기반 하이드로젤에 자외선으로 분해가 가능한 고분자를 가교제 (crosslinker)로 이용, 빛으로 인해 공간적 분해가 가능한 하이드로젤을 개발하였다 [2] <그림1>. 이러한 하이드로젤 분해 제어 방법은 앞으로 세포의 미세환경을 조절할 수 있는 기술이므로 줄기세포 기반의 치료에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

그림 1. 광분해성 하이드로젤 합성 및 분해를 통한 세포 생리활성 조절

(출처 Science, 2009. 324(5923): p. 59-63.)

세포외기질은 글리코사미노 글리칸 (Glycosaminoglycan, GAG), 프로테오 글리칸 (Proteoglycan), 콜라겐 (Collagen), noncollagenous glycoprotein 등 다양한 물질로 구성되어 있으며, 줄기세포의 생화학적 신호를 전달 및 구조적 지지뿐만 아니라 세포의 항상성을 유지하는 역할을 담당한다. 세포와 세포외 기질의 상호작용은 세포 표면에 있는 인테그린 (Integrin), 이뮤노글로빈(Immunoglobin), 셀렉틴 (Selectin) 등이 세포외 기질과 결합하여 세포에 화학적 신호를 보냄으로써 시작된다. 세포는 세포외 기질의 물리적 강도 및 탄성을 감지하고 분화 및 세포의 이동을 유도할 수 있다. 세포외 기질에 있는 단백질은 세포의 다양한 분화 신호를 제공하며 조직 내에서 구조적으로도 중요한 역할을 한다. 지아(limbbud)에의 근육세포 분화를 이러한 세포외 기질에 의한 세포 분화의 예로 생각할 수 있다. 지아 세포가 근육조직으로 분화될 때, 라미닌 (Laminin)과 Collagen IV의 발현이 증가하는 반면 피브로넥틴(Fibronectin)의 발현은 감소하게 된다 [3]. 이는 세포외 기질 형성과 세포분화가 아주 밀접하게 상호작용을 하기 때문이다. 하지만, 매우 복잡하고 지속적인 리모델링을 통해 세포분화의 미세환경을 구축하는 것은 체외에서 구현하기 힘들다. 이에 생체재료를 이용해 세포외 기질과 유사한 미세환경과 복잡한 구조를 모사하여 세포의 분화 및 상호작용을 이해하고, 생체모사 생체재료는 세포를 제어할 수 있는 기반으로 매우 중요하게 적용할 수 있을 것이다. 최근 생체재료 플랫폼을 이용해 생화학적이고 역학적이며 생리학적인 하이드로젤 지지체들이 개발 되었다 [4]. 하지만 천연화합물, 특히 세포외기질 성분인 콜라겐, 피브린 및 히알루론산 등을 주사슬로 이용하면 변형이 쉽지 않아 공학적 조작이 어렵지만 생체 유래 성분이므로 이식 시 면역, 염증반응 등의 부작용이 적어 임상적 적용에 적합하다는 장점이 있다. 세포외기질 기반 하이드로젤은 체내에 있는 효소로 인해 분해됨으로써 세포가 세포외 기질을 분비하기 위해 필요한 공간을 제공하고 기존 세포외 기질의 역동적인 리모델링을 유도 할 수 있는 장점이 있다. 최근에는 세포외기질 기반의 천연고분자에 카테콜 특성을 도입한 후에 가교된 하이드로젤을 조직에 직접 접착시키는 방식으로 효율적으로 세포를 이식하고 조직의 재생을 증진시키는 연구가 보고되었다. 이러한 전략의 대부분은 홍합이 자연에서 사용하는 카테콜(catechol)의 특성을 이용하여 하이드로젤을 가교시키는 기술이며 이를 통해 향상된 조직 접착력을 보유한 하이드로젤이다. 이러한 접착제는 조직의 단백질 사이에 가교 결합(안정한 화학 결합)을 형성함으로써 작용한다. 그러나 홍합 가교를 모방 한 기존의 수술 용 접착제는 화학적 접근법을 통해 가교 속도를 조절 한다는 단점이 있다. 이러한 화학적 접근법은 염증이나 독성과 같은 주요 문제점을 야기 할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 본 연구실의 연구팀과 김병기 교수 연구팀은 홍합 유착 형성에 관여하는 효소 인 티로시나제를 이용해서 히알루론산-젤라틴 하이드로젤을 생산하는 시스템을 개발했다. 재조합 티로시나제를 이용해서 본 연구팀은 기존의 기법보다 빠른 효소기반 가교 방법을 통해 하이드로젤을 제작 하였다 [5]. 또한 이 새로운 기술로 주입형 세포외기질 기반 분사 및 주사 가능한 조직 접착제 하이드로젤 시스템을 개발하였다 <그림 2>.

그림 2. 티로시나제 (Recombinant tyrosinase)를 이용한 천연고분자 기반 하이드로젤 제작.

티로시나제는 거대 분자 및 페놀 성 부위를 산화 시키고 산화 된 형태의 티로신은 인접한 아민,

티올 및 다른 퀴논과의 결합으로 하이드로젤 형성. 빠른 티로시나제의 특성으로 인해 분사 및 주사 가능한 조직 접착제 하이드로젤 형성 가능. (출처: Biomaterials, 2018. 178: p. 401-412.)

현재 생체 재료를 이용한 손상된 장기 혹은 조직을 복원하려 하는 시도가 많이 이루어지고 있다. 살아있는 조직과 유사한 역할을 하기 위해서는, 삼차원 구조의 지지체, 즉 실제 조직과 비슷한 모양을 모사하는 것이 중요하다. 하이드로젤은 생체조직과 유사한 다양한 특성을 가지고 있으며 네트워크를 이루는 고분자와 가교방식의 다양한 특성을 조절할 수 있으므로 매력적인 생체적합성 소재로서 각광받고 있다. 조직공학 분야에서도 생체적합성 기능성 지지체로서 다양한 특성과 용이한 조작성의 장점으로 인해 활발히 활용되고 있다. 특히 최근에는 3D 프린팅이 조직재생을 위한 응용기술로서 부각되고 있는 만큼 맞춤형 장기를 제작하는 바이오 프린터도 이슈가 되고 있으며, 하이드로젤이 매력적인 바이오 프린터의 잉크 소재로서 각광받고 있다. 따라서 하이드로젤을 기반으로 한 3D 바이오 프린팅 기술이 향후 조직공학의 주요 요소 기술로 발전될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구실에서는 더 나아가 간단한 종이에 화학적 변경과 하이드로젤을 적용하여, 오리가미 방법을 이용하여 실제 조직을 모사하고 이를 동물 모델에 적용했다 [6]<그림 3>. 이는 3D 바이오 프린팅 장비 없이도 원하는 장기 및 조직을 제작 할 수 있는 기법으로 다양한 조직 재생 기법 및 응급환자에게 활용될 수 있는 조직을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

그림 3. 하이드로겔 함유 종이기반 스케폴드를 이용한 오리가미 조직공학

(출처:Proc Natl Acad Sci U S A, 2015. 112(50): p. 15426-31)

Reference
1. Lutolf, M.P., et al., Repair of bone defects using synthetic mimetics of collagenous extracellular matrices. Nat Biotechnol, 2003. 21(5): p. 513-8.
2. Kloxin, A.M., et al., Photodegradable hydrogels for dynamic tuning of physical and chemical properties. Science, 2009. 324(5923): p. 59-63.
3. Godfrey, E.W. and K.S. Gradall, Basal lamina molecules are concentrated in myogenic regions of the mouse limb bud. Anat Embryol (Berl), 1998. 198(6): p. 481-6.
4. Vats, K. and D.S. Benoit, Dynamic manipulation of hydrogels to control cell behavior: a review. Tissue Eng Part B Rev, 2013. 19(6): p. 455-69.
5. Kim, S.H., et al., Tissue adhesive, rapid forming, and sprayable ECM hydrogel via recombinant tyrosinase crosslinking. Biomaterials, 2018. 178: p. 401-412.
6. Kim, S.H., et al., Hydrogel-laden paper scaffold system for origami-based tissue engineering. Proc Natl Acad Sci U S A, 2015. 112(50): p. 15426-31.