수명연장, 세포 기반 뼈 모델로 뼈 질환 원인 찾는다.

 

부서지기 쉬운 뼈 질환을 앓고 있는 사람의 삶은 합병증으로 가득 차 있다.

사소한 실수, 겉으로는 무해해 보이는 넘어짐, 심지어 단 한 번의 잘못된 움직임만으로도 팔이나 다리가 부러질 수 있다. 그리고 이런 일이 반복적으로 일어날 가능성이 높다. 왜냐하면 그들은 뼈를 극도로 약하게 만들고 종종 신체적 기형과 관련된 유전적 결함을 갖고 태어났기 때문이다.

 

대부분의 경우 뼈가 부서지기 쉬운 원인은 I형 콜라겐 단백질의 청사진을 전달하는 유전자의 돌연변이이다. 이것은 단단한 뼈 기질을 확립하는 데 가장 중요한 단백질이다. 이 질환을 앓고 있는 사람들은 이 콜라겐 단백질이 올바르게 접히지 못하게 하는 유전적 결함이 있어 뼈 기질이 불안정하고 뼈가 부서지기 쉽다.

취성골질환의 정식 명칭은 골형성 부전증, 줄여서 OI이다.

 

다공성 매트릭스

지금까지 과학자들은 콜라겐 단백질의 돌연변이가 어떻게 뼈 기질의 형성을 방해하는지, 그리고 이러한 기형을 치료하는 방법에 대해 기초적인 이해만 가지고 있었다.

그러나 이제 ETH 취리히 생체역학 연구소의 연구원 그룹은 이러한 질문에 답하기 위한 중요한 진전을 이루었다. 팀을 이끄는 것은 생체 재료 공학 교수인 진샤오후아(Xiao-Hua Qin)이며 동료 ETH 교수인 랄프 뮐러(Ralph Müller)와 협력하고 있다.

그들은 함께 뼈 형성을 더 자세히 조사할 수 있는 3D 체외 모델을 개발했다. 현재는 건강한 세포를 사용하고 앞으로는 OI로 고통받는 사람들의 세포도 사용한다.

 

이 새로운 뼈 모델은 합성 폴리머로 만들어진 다공성 매트릭스 또는 구조를 기반으로 한다. 부드러운 하이드로겔로 만들어진 이 매트릭스에서 뼈를 형성하는 세포(조골세포)는 정착되고 증식하며 서로 및 그 파생물과 연결되어 3차원 네트워크를 형성할 수 있다.

개발 과정에서 연구자들은 이상적인 기공 크기가 5~20마이크로미터 사이라는 것을 확인했다. 즉, 세포가 정착하고 증식할 수 있을 만큼 넓으면서도 세포가 빠져나가는 것을 방지할 만큼 충분히 좁은 것이다.

하이드로겔을 만들면서 연구원들은 신경 세포에 대한 시험관 모델에서 힌트를 얻었다.

다공성 하이드로겔은 뉴런에 인공 네트워크를 형성하는 데 매우 유리한 환경을 제공한다고 진은 말한다. 그러나 뼈 전구체 세포는 한 가지 측면에서 “완전히 다르게 반응”한다는 것이 곧 분명해졌다. 즉, 다공성 매트릭스도 필요하지만 이 매트릭스는 생분해성이어야 한다.

 

그래서 연구진은 하이드로젤에 매트릭스 메탈로프로테이나제(MMP) 효소에 의해 분해될 수 있는 펩타이드 가교결합제를 장착했다. 이는 결국 세포가 더 성숙한 콜라겐 섬유를 생산할 수 있게 해준다. MMP는 많은 신체 과정에 필수적이며 그 중 하나는 뼈 형성이다.

그러나 뼈 세포가 올바르게 성장하고 네트워크를 형성할 수 있도록 하기 위해 연구진은 먼저 또 다른 문제를 해결해야 했다.

 

"뼈 발달과 뼈 리모델링을 연구하려면 세포를 기계적으로 자극하는 것이 필요하다."라고 진 그룹의 박사 과정 학생이자 연구 논문의 주요 저자인 도리스 자우크너는 말한다.

연구진은 세포가 내장된 하이드로겔을 칩 위에 놓고 액체를 구멍을 통해 흐르게 했다.

"이 액체는 세포에 전단력을 가합니다"라고 자우크너는 말한다. 이는 세포 기능에 중요하다. 영양분과 화학적 메신저를 운반하는 액체는 건강한 뼈의 구멍에 있는 세포를 기계적으로 자극하는 것으로 나타났다.

 

정상적인 뼈 발달을 모방

연구자들이 논문에서 설명한 것처럼 생분해성 하이드로겔 매트릭스와 기계적 자극을 특징으로 하는 뼈 모델은 뼈 발달을 성공적으로 에뮬레이션 할 수 있다. 조골세포는 재생산하고 경우에 따라 미성숙 골세포(건강한 뼈 세포의 90%를 차지함)로 발전하기도 한다. 그들은 콜라겐을 분비하고 기질을 광물화할 수 있다.

자우크너는 "이것은 단순한 모델일 수도 있지만 정상적인 뼈 발달과 매우 유사하다"고 말한다.

 

이제 그들은 자신의 모델에 대한 특허를 얻었으므로 이를 잠재적인 업계 파트너에게 제공할 계획이다.

이전 뼈 형성 모델과 비교하여 칩의 새로운 시험관 모델은 많은 이점을 제공한다. 이전 모델의 기공은 너무 좁아서 세포가 움직일 공간이 거의 없거나 너무 넓어서 3차원 네트워크가 형성될 수 없었다.

더욱이 이들 모델은 매트릭스 구조로 콜라겐을 사용했기 때문에 콜라겐을 세포 자체에서 생성하는지, 그렇다면 얼마나 많이 생성하는지 연구하는 것이 불가능했다. 모델은 칩에 들어갈 만큼 작기 때문에 연구자들은 환자의 세포가 몇 개만 있어도 이를 사용할 수 있다.

 

동물 실험 대체

지금까지 OI 연구의 주요 수단은 동물 모델에 의존해 왔다. 자우크너는 20개 이상의 서로 다른 바이러스가 있으며 일부는 쥐를 사용하고 다른 일부는 물고기 또는 심지어 개를 사용한다고 지적한다.

“동물 실험에는 많은 제약이 따른다.”고 그녀는 말한다. 가장 큰 이유는 비용이 너무 많이 든다는 것이다. “이것이 우리가 OI에 대한 시험관 내 모델을 만들려고 노력하는 이유이다. 우리의 목표는 OI가 있는 사람들의 세포를 하이드로겔에 삽입하여 어떤 프로세스가 제대로 작동하지 않는지 알아내는 것이다."

자우크너는 취리히 아동병원에서 젊은 OI 환자의 세포를 사용하여 첫 번째 실험을 시작할 준비가 되어 있다.

 

OI 프로젝트는 스위스 국립 연구 프로그램 "Advancing 3R"의 일부이다. 가장 중요한 목표는 대체(Replace), 축소(Reduce), 개선(Refine)이라는 3R 접근 방식을 동물 실험에 적용하는 방법을 탐구하는 것이다.

진의 그룹은 뼈가 형성되고, 발달하고, 분해되는 과정을 지배하는 과정에 대해 더 나은 전반적인 이해를 얻으려고 노력하고 있다. 이를 위해 그룹의 활동은 새로운 OI 모델에만 국한되지 않는다. 또 다른 프로젝트에서 팀은 골다공증과 같은 퇴행성 뼈 질환에 대한 모델을 개발하고 있다. 여기서 초점은 최종적으로 분화된 뼈 세포인 골세포에 있다.

 

"우리는 뼈 발달을 위한 시험관 내 모델을 구축하기 위해 인간 세포의 3차원 네트워크를 사용하고 싶다."고 진은 말했다. 아마도 그의 팀을 제외하고는 아직 누구도 이를 관리하지 못했다. "방금 공개한 모델에서 골아세포 뿐만 아니라 미성숙 골세포도 발견했다."

이 연구는 Nature Communications에 게재되었다.

출처: ETH Zurich의 Nik Walter