Osteogenic Potential of Scaffold-free Engineered Tissue for Bone Regeneration

Abstract

질병, 감염, 외상 및 종양 절제로 인한 골 결손 부위의 복원 및 재생을 위하여 본 연구에서는 지지체 없이 제작된 조직공학적 조직을 이용하여 골 분화 및 형성을 확인하고 그에 따른 골 조직 재생을 위한 이식재로의 적용을 목적으로 하였다. 조직공학적 기법으로 제작된 조직, 펠렛은 세포와 세포 자체에서 분비한 세포 외 기질로만 구성되어 서로 간의 상호작용을 통해 자가조립의 입체적인 형태를 나타낸다. 이와 같이 형성된 3차원의 펠렛은 체외에서 생체 내와 같은 환경을 모사함에 따라 세포의 증식 및 분화를 위한 여러 신호들을 전달하게 되며 이를 골 분화 유도 배지에서 배양하여 기질의 미네랄화, 칼슘 침착, 뼈와 관련된 특정 유전자 발현을 통해 체외에서의 골 분화 정도를 확인하였다. 이후, 골 분화의 능력을 가진 펠렛을 생체 내에서의 골 형성정도를 확인해보기 위하여 누드 마우스의 피하조직에 이식하였으며, 그 결과 이식기간이 길어질수록 펠렛 내의 기질이 골 기질의 특성을 나타내며 뼈를 형성하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 골 재생에 있어서 여러 제한점이 있는 현재 치료법을 대체할 수 있는 새로운 이식재로 적용하고자 한다.

골 결손은 외상이나 감염으로 인해 나타나며, 결손부의 조직 수복 및 재생을 위한 여러 외과적 수술적 개입이 불가피하다. 현재 제시되고 있는 조직공학적 치료법 및 자가/동종/이종골의 이식술은 추가적인 수술의 개입으로 인한 합병증 혹은 동종, 이종, 합성골로 인한 면역거부반응 및 낮은 골 활성도와 같이 여러 한계점이 존재한다. 이러한 이유로 최근의 조직공학 기술은 줄기세포 및 생체활성인자를 이용한 세포의 조직화에 대한 연구가 진행되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 일반적인 뼈 형성에 있어서 연골 속 뼈 발생이라는 이론을 바탕으로 줄기세포 대신 증식능력이 뛰어난 태아 연골 유래 전구세포와 그 세포가 분비한 세포 외 기질을 이용하여 3차원 형태의 조직을 제작한 후, 골 분화를 유도함으로써 온전한 골 조직의 형성 및 골 재생을 목적으로 하였다. 제작된 조직, 펠렛은 세포와 세포 외 기질 간의 상호작용을 통해 자가조립의 3차원의 입체 형태를 띄며, 이는 in vitro에서 생체 내와 같은 환경을 모사함에 따라 증식과 분화 과정을 거치면서 생체조직과 유사한 성질을 나타낸다. In vitro에서 배양된 펠렛의 골 분화정도를 Alkaline phosphate의 활성도, 조직 내 칼슘 축적량, 골 분화 표시 유전자의 발현 및 골 기질의 생성 정도를 주차별로 확인해 보았을 때, 4주간 골 분화를 유도한 펠렛에서 높은 골 분화능을 확인하였다. 이러한 근거를 바탕으로 생체 내 환경에서의 골 형성 지표를 확인하기 위하여 누드마우스의 피하 조직에 in vitro에서 우선적으로 골 분화를 유도한 펠렛을 이식하는 동물실험을 진행하였다. 생체 내에 이식된 펠렛은 이식기간에 따라 점차적으로 골 기질이 형성되고, 또한 조직 안으로의 혈관이 침투됨에 따라 생체 조직과 유사한 골 형성을 나타내었다. 이를 통해, 별도의 지지체 없이 다양한 형태로 제작될 수 있는 3차원의 펠렛을 이용하여 골 재생을 위한 새로운 조직공학적 이식재로 활용될 수 있을 것이라 사료된다.