▲ 화학연·선문대 공동 연구팀이 나노입자-줄기세포 복합체를 합성하고 있다.

국내 연구진이 나노입자와 줄기세포를 결합해 3차원 뼈 조직의 재생 효율을 획기적으로 높이는 기술을 개발, 골절이나 뼈 손상 환자의 치료는 물론, 차세대 조직재생 의학 분야의 새로운 전환점을 제시할 것으로 기대된다.

한국화학연구원(원장 이영국)은 김기영 박사와 선문대학교(총장 문성제) 하미진 교수 공동 연구팀이 인체 지방유래 줄기세포(hADMSC)와 다공성 실리카 나노입자(mSiO₂)를 결합한 ‘나노 바이오 하이브리드 세포’를 제작, 뼈 형성 능력을 크게 향상시키는 데 성공했다고 26일 밝혔다.

줄기세포를 이용한 3차원 세포 집합체(스페로이드, 오가노이드 등)는 인체 장기나 조직의 기능을 모사하는 데 널리 활용되어 왔다.

그러나 내부에 영양분과 산소 공급이 원활하지 않아 세포가 죽거나, 균일하게 뼈로 분화되지 못하는 한계가 있었다. 이로 인해 실제 뼈 재생 치료나 약물 평가에 적용하기 어렵다는 점이 꾸준히 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 줄기세포 표면에 나노입자를 균일하게 부착, 세포들이 서로 얽혀 안정적인 구형 구조를 이루도록 설계했다.

특히 나노입자는 줄기세포 사이에서 ‘지지대’이자 ‘뼈 형성 촉진제’ 역할을 동시에 수행한다. 단순한 지지체 기능을 넘어, 뼈 형성을 돕는 신호물질을 실어 서서히 방출함으로써 줄기세포가 원하는 방향으로 균일하게 뼈세포로 분화되도록 유도하는 것이다. 마치 ‘영양제 캡슐’을 등에 짊어진 세포들이 스스로 뼈로 변신하는 것과 같다.

이 기술은 골절 환자의 회복 기간을 단축하고 고령화 사회에서 급증하는 골다공증이나 퇴행성 골손상 치료에도 적용 가능성을 보여준다.

실험 결과, 나노입자-줄기세포 스페로이드는 기존 방식보다 세포 생존율이 높았고 뼈세포로의 균일한 분화가 뚜렷하게 나타났다.

특히 쥐 두개골 결손 모델에 이식했을 때, 6주 만에 결손 부위의 36%가 새 뼈로 채워지며 기존 세포 스페로이드 대비 약 1.3배 높은 재생률을 기록했다.

이번 연구는 아직 동물실험 단계에 머물러 있지만, 향후 대형 동물 모델과 임상 연구를 거치면 환자 맞춤형 뼈 이식재 개발에도 적용할 수 있을 전망이다.

김기영 박사는 “이번 기술은 뼈뿐 아니라 연골, 피부 등 다양한 조직 재생에도 확장될 수 있다”고 설명했다. 이영국 화학연 원장은 “줄기세포 기반의 조직재생 기술이 고령화 사회에서 증가하는 골절 환자 치료에 실질적인 도움이 되길 바란다”고 말했다.