Tissue engineering application of cartilage decellularized extracellular matrix to improve the inflammatory cartilage diseases

Abstract

사람의 평균 수명 연장과 스포츠에 대한 관심이 늘어남에 따라 관절염 환자가 꾸준히 증가하고 있다. 관절염은 한번 발병하면 완치가 되지 않으며, 약, 물리치료, 수술에 의해 환자는 지속적인 고통 및 불편을 겪게 된다. 그 중 류마티스 관절염은 자가면역 질환으로, 발병의 원인이 아직 밝혀지지 않았다. 현재 치료법으로는 질환의 진행을 막는 치료만 존재하고 있다. 골 관절염은 연골의 마찰과 관련된 질환으로, 염증, 과격한 운동 또는 노화에 의한 연골 손상에 의해 발생한다. 질환의 진행을 억제하기 위해 약물치료 또는 관절 치환술이 현재 치료법으로 있으며, 여전히 지속적인 관리 및 치료가 필요한 상황이다. 세포외 기질은 모든 세포에 의해 분비되는 3차원적 구조물로써, 세포의 생장 및 분열을 향상시키고, 염증을 감소시켜주는 효과가 있다. 주로 콜라겐, 글리코사미노글리칸, 피브로넥틴, 인테그린, 세포외 소포 등으로 구성되어 있으며 이들 간의 상호작용을 통해 세포 생존을 위한 환경을 제공한다. 추출되는 조직에 따라 세포외 기질은 특징이 존재하며 현재 다양한 생체 재료 및 조직 재생 공학에 많이 연구되고 있는 물질이다. 그 중 연골에서 추출된 세포외 기질은 주로 연골에 많이 존재하는 제2형 콜라겐, 글리코사미노글리칸과 같은 단백질이 풍부하며, 다른 조직보다 항혈관 효과가 뛰어난 것으로 알려져 있다. 최근 연골에서 유래된 세포외 기질은 골 유래 중간엽 줄기세포의 연골 분화를 유도하고 조직 재생을 유도하는 면역 세포로 표현형을 변화시킨다는 점이 알려지며 염증 억제를 위한 재료로 사용되고 있다. DMARDs는 류마티스 관절염을 치료하기 위한 약물로써, 가장 환자들이 접근하기 쉽고, 많이 복용하고 있다. 이 약물들은 류마티스 관절염의 진행을 억제하기 위해 복용하는 약의 양을 늘리거나 다른 약물과 혼용 사용을 하고 있다. 그 중 메토트렉세이트는 약물 치료 시 가장 먼저 사용되는 약물이다. 하지만 간 독성, 복통 등 부작용이 존재하며 약물 혼용에 사용되는 약물 역시 더욱 심각한 부작용, 잦은 복용 시간 또는 임신 환자에게 사용 불가하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 기존에 사용되고 있는 약물의 낮은 농도와 탈세포화된 연골 세포외 기질을 혼용하여 염증을 개선하고 연골의 구조를 보존할 수 있는 환경을 제공하는지 실험을 통해 확인했다. 활액은 관절 조직에서 분비되는 유체이다. 히알루론산, 루브리신, 알부민, 글로불린 등으로 구성되어 관절 내 마찰을 줄여주고 관절이 하중을 버틸 수 있도록 도와준다. 이러한 활액이 골 관절염 환자에게선 점도가 달라지고, 윤활 작용을 제대로 하지 못하게 되어 환자들은 인공 활액을 주사하게 된다. 현재 상용화된 인공 활액은 히알루론산 기반 인공 활액이지만 기계적 특성이 부족하여 관절 내에서 부작용을 발생시킨다. 클릭 케미스트리는 물질 반응에 의해 생성되는 생성물이 거의 없고, 반응이 간단하며, 높은 수율을 가진 반응을 말한다. 그 중 IEDDA 반응은 독성이 없어 세포 및 동물에 사용 가능하다는 장점이 있어 많은 생물학적 영역에 사용된다. 따라서 이 연구에서는 탈세포화 된 연골 세포외 기질을 히알루론산과 가교하여 하이드로겔을 제작한 뒤, 충분한 기계적 특성 및 윤활 능력을 확인했다. 파트 1에서는, 돼지 슬관절에서 추출된 연골 세포외 기질을 탈세포화한 다음, 특성화를 통해 탈세포화된 연골 세포외 기질의 특성을 파악했으며, 세포 실험을 통해 항염증 효과가 있음을 확인했다. 또한 낮은 농도의 메토트렉세이트와 혼용 사용했을 때, 고농도의 메토트렉세이트와 유사한 항염증 효과를 보였다. 동물 실험에서는 고농도의 메토트렉세이트보다 연골 세포외 기질을 혼용 사용한 그룹에서 더 나은 연골 구조 유지를 보였으며 이를 통해 탈세포화된 연골 세포외 기질은 류마티스 관절염에서 낮은 농도의 약물과 혼용 사용되면 약물의 효능을 증폭시키고 관절 내 환경을 유지시키는 것을 확인할 수 있었다. 파트 2에서는, 연골 세포외 기질과 히알루론산을 IEDDA 가교를 통해 성공적으로 하이드로겔을 만들었으며, 상용화된 히알루론산 기반 인공 활액보다 더 나은 기계적, 유변학적 특성을 확인하였다. 또한 세포 실험에서 모든 농도에 대한 가교제 및 전구체는 세포 독성이 없었으며 하이드로겔로 제작된 뒤에도 독성을 나타내지 않아 재생의학 및 생체 적용에 적합한 것을 입증했다. 동물 실험에서는 반월판 인대 절개를 통한 골 관절염 유도가 실시되었고, 하이드로겔에 의한 인공 활액 및 항염증 효과에 의해 연골의 마모 및 골 관절염 관련 마커들의 발현이 감소되었다. 이를 통해, 탈세포화된 연골 세포외 기질은 염증성 관절 질환을 극복하기 위해 조직공학적으로 응용될 수 있음을 확인했다.