논문
재생의학적 인공각막을 위한 각막내피세포 노화 방지 및 대량 증식 연구
서울아산병원 의공학연구소 황창모 교수 및 안과 차흥원 교수 연구팀은 각막내피세포의 효과적인 증식방법을 ROCK 저해제와 중간엽줄기세포 배양액으로 확립하고, 다양한 조건에서 각막내피세포의 노화에 미치는 영향에 대한 연구결과를 발표하였다. 향후 각막조직의 재생의학적 형성 및 각막이식에 임상적으로 활용이 가능할 것으로 예상된다.
인체에서 시각을 담당하는 눈은 외부 정보를 획득하는 주요한 센서 역할을 하는데, 그 중 각막은 높은 투명도를 유지하여 외부의 빛이 투과되도록 한다. 각막내피는 육각형의 세포로 이루어진 단층구조로 출생 당시 밀도가 가장 높고(3,000cells/mm2) 재생되지 않기 때문에 나이가 들어감에 따라 점진적으로 줄어드는 것으로 알려져 있다. 각막내피세포는 세포 표면에 존재하는 Na+/K+ ATPase에 의한 능동적인 펌프 작용 및 중탄산이온 생성을 통해 각막의 탈수상태 유지 및 각막의 투명성을 유지하는데 도움을 주는 기능을 가지고 있다.
국내 각막이식은 이식용 각막의 부족이 심각한 상황으로 각막이식 대기자가 지속적으로 증가하고 있으나 안구 기증자가 대기자 수에 비해 현저히 부족한 실정이다. 각막이식 대기자의 평균 대기일은 2,100여 일에 달하여 평균 대기일도 지속적으로 증가하고 있다. 임상현장에서는 각막 질환에 따라 각막조직 전체를 이식하는 전층각막이식술, 각막의 일부분을 이식하는 수술인 각막상피층 부분이식술, 각막내피층 부분이식술이 시행되고 있다.
기증각막의 부족을 해결하기 위해 공여각막 중 일부에서 세포를 획득하여 체외에서 각막상피세포 또는 각막내피세포를 증식시킨 후 지지체에 배양하여 전층각막 또는 부분층 각막조직을 형성하는 재생의학적 기법을 이용한 각막재생연구가 활발히 진행되고 있다. 각막세포의 체외증식을 통한 충분한 수의 세포를 확보해야 하는데, 각막세포는 체외배양 시 증식속도가 낮아서 충분한 세포수를 확보하는 것이 각막재생연구에 가장 어려운 숙제의 하나로 알려져 있다.
본 연구에서는 각막조직재생에 필수적인 충분한 수의 각막내피세포를 확보하기 위해서, 세포증식을 촉진하는 배양조건을 확립하기 위해 진행되었다. 중간엽줄기세포 배양액 및 ROCK 저해제의 유무에 따른 각막내피세포의 세포증식(proliferation), 세포주기(cell cycle), 세포사멸(apoptosis) 및 세포 노화(senescence)에 관련한 유전자 발현에 미치는 효과를 확인하였다.
연구결과, 중간엽줄기세포 배양액과 ROCK inhibitor를 복합적으로 포함한 배지에서 각막내피세포의 증식에 관련된 유전자가 활성화되고 계대배양 횟수가 기존의 5회에서 9회까지 증가하여 많은 수의 세포를 획득할 수 있음을 확인하였다. 또한 제안된 배지에서 세포의 mitosis를 진행시키는 세포주기 조절유전자인 CDK 유전자를 활성화하는 유전자인 CDC25C 발현이 유지되며, 세포의 노화 및 사멸관련 유전자의 활성화가 현저히 줄어드는 경향을 확인 하였다.
본 연구결과는 공여각막 부족을 해결하기 위한 재생의학적 인공각막 개발에 필수적인 각막내피세포의 체외증식을 중간엽줄기세포 배양액과 ROCK inhibitor 첨가된 배지로 가능하며, 유전자 발현 정도를 확인하여, 향후 각막재건을 통한 임상적 적용에 한 걸음 다가서는 토대를 마련하였다 할 수 있다.
본 연구는 서울아산병원 및 보건복지부의 지원으로 의공학 및 안과 임상팀의 협력연구가 진행되었으며, 국제 학술지인 Cells(IF:6.606)에 2021년 4월에 발표되었다.
※ 황창모 교수는 2013년 서울아산병원 의공학연구소에 재직 중이다.
조직공학 및 재생의학 분야에서 혈관화 조직 및 3D 바이오프린팅, 각막 및 망막재생 연구와 관련된 연구와 중재시술용 의료기기를 개발하고 있다.