고려대학교 (총장 김동원) 신소재공학부 강희민 교수 연구팀이 세계 최초로 줄기세포 조절 시스템 해석에 수학적 알고리즘을 적용해 줄기세포와 조직 재생 치료에 새로운 접근법을 제시했다. 

이 연구 성과는 재료 연구 분야 저명한 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF=14.7)에 런던 현지 시각 12월 23일(월) 오전 10시 (한국시간 12월 23일 오후 7시) 온라인으로 게재됐다.

▲ (왼쪽부터) 고려대 신소재공학부 강희민 교수,

고려대 김초원 박사과정생 (제1저자),  고려대 강나연 박사과정생 (제1저자),

* 논문명: Modularity-based Mathematical Modeling of Ligand Inter-Nanocluster Connectivity for Unraveling Reversible Stem Cell Regulation

* DOI: https://www.nature.com/articles/s41467-024-54557-8

기존의 세포외기질(Extracellular Matrix, ECM)을 모사한 줄기세포 제어 시스템 연구는  세포와 리간드가 연결되거나 연결되지 않은 고정적인 환경에서만 진행됐다. 그렇기에 실제 조직 세포의 동적인 상태를 충분히 반영하지 못해, 정확한 결과를 얻지 못하는 한계가 있었다. 또한 세포외기질의 실시간 변화를 따라 할 수 있는 기술이 부족해, 조직 재생과 치료를 위한 새로운 방법 개발에 큰 어려움이 있었다. 

 * 세포외 기질 (Extracellular Matrix, ECM) : 세포 밖에 존재하지만, 고분자들로 이루어진 삼차원적 망 구조체

 * 줄기세포 : 분화되지 않은 세포로서 주변 환경에 따라 특정 조직 세포로의 분화가 가능하여 세포 치료,     조직 재생, 인공 장기 형성 등 환자 맞춤형 치료를 위한 핵심 세포로 주목받고 있음 

 * 리간드 : 세포외기질에 존재하는 단백질 내의 세포 부착을 매개하는 물질.

연구진은 자기장으로 원격 조절이 가능한 자성 나노 막대를 다양하게 방향성을 가질 수 있도록 합성했다. 그다음 금 나노 입자에 세포 부착성 리간드를 코팅한 후 해당 합성된 자성 나노 막대를 결합해 리간드 네트워크를 형성했다. 리간드 네트워크에 사용된 자성 나노 막대로 자기장을 통해 줄기세포의 부착과 기계적 신호 전달 및 분화를 제어할 수 있다. 

더 나아가 연구진은 줄기세포 부착과 분화 조절 시스템을 해석하는 데 세계 최초로 수학적 알고리즘을 적용하여 생체 내 존재하는 세포외기질이 이루는 네트워크 내 리간드 군집의 연결 정도가 클수록 줄기세포 부착을 촉진하는 것을 밝혀냈다. 연구진이 개발한 리간드 네트워크는 다양한 재료 표면에 적용할 수 있으며, 특히 줄기세포와 조직 재생에 초점을 맞춰 개발돼, 임플란트와 재생의학 분야에서 활용될 것으로 기대된다. 

신소재공학부 강희민 교수는 “줄기세포 행동을 자기장으로 원격 제어하는 시스템을 수학적 알고리즘을 통해 규명하여 맞춤형 재생 치료와 조직 재생 연구에 새로운 가능성을 제시했다는 점에서 의의가 크다”며, “연구 결과를 활용해 다양한 세포와 의료 기술의 정밀 제어에 적용할 수 있을 것” 이라고 말했다. 

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구지원사업의 지원을 받아 수행되었다.

△ 그래프 이론 기반 리간드 네트워크를 이용한 줄기세포 조절 시스템의 모식도

[그림 ] 설명 : 가역적 자성 조절을 이용한 그래프 이론 기반 리간드 네트워크의 모식도