‘FS (Free-standing) Device’를 이용한 3D 세포 배양 플랫폼이 차세대 조직재생 및 줄기세포 치료 분야에 새로운 전환점 제시
화학공학부 방석호 교수 · 의학과 정지헌 교수, 현지유/박준형 연구원
화학공학과 방석호 교수와 가천대학교 신소재공학과 연구팀이 개발한 ‘FS (Free-standing) Device’를 이용한 3D 세포 배양 플랫폼이 차세대 조직재생 및 줄기세포 치료 분야에 새로운 전환점을 제시하고 있다. 해당 기술은 세포 구획화(compaction) 및 구형화(spheroidization)를 단시간 내 고효율로 유도하며, 그 치료적 응용 가능성을 동물모델을 통해 실증하였다.
연구팀은 기존 3D 세포 배양법의 복잡성과 시간 소모의 한계를 극복하고자, 액체 내 음향 정재파(acoustic standing wave)를 활용한 자유부유형 배양 환경을 설계하였다. 이 ‘FS Device’는 세포를 공중에 부유시키고, 자가 조립 메커니즘을 통해 안정적인 스페로이드를 형성한다. 관련 연구는 Bioengineering & Translational Medicine (2022), Biomaterials Research (2023) 등에 게재된 바 있다.
이번 연구에서는 성균관대학교 화학공학과 방석호 교수, 의학과 정지헌 교수 공동 연구팀은 제1형 당뇨병(Type 1 Diabetes Mellitus)의 이식 치료 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 FS Device 기반 새로운 세포 배양 기술을 개발하였다. 해당 연구는 FS Device를 기반으로 단 20시간만 에 이종세포 간의 고기능성 스페로이드(heterotypic pseudo-islet, Hislet)를 제작함으로써, 기존 유사 이식체(pseudo-islet) 형성에 필요한 5일 이상의 시간을 획기적으로 단축하였다. 연구 결과는 바이오 소재 분야의 권위 있는 국제학술지 Bioactive Materials (IF: 18.9, JCR 상위 1%)에 2025년 5월 온라인 게재되었다.
연구팀은 지방 유래 줄기세포(ADSC)와 췌장 이식세포를 FS 장치에서 공배양함으로써, 단 8시간 만에 ADSC가 중심, 췌장세포가 외곽을 이루는 ‘코어-쉘 구조’를 가진 Hislet을 형성할 수 있었다. 이후 12시간의 추가 배양을 통해 세포 간 상호작용과 구조적 안정성을 높였으며, 이는 생존율 향상과 세포 기능 유지에 결정적 역할을 했다. 형성된 Hislet은 기존 췌장이식체보다 작고(평균 105 μm), 산소 및 영양공급의 이점을 가지며, ECM 생성과 세포 간 접합 단백질 발현이 현저히 증가된 것으로 나타났다.
특히 Hislet은 혈관신생(angiogenesis), 면역조절(immunomodulation), 인슐린 분비(glucose-responsive insulin secretion) 등의 다기능성을 갖추었으며, 1형 당뇨 동물 모델에서 실제 혈당 조절 능력도 검증되었다. 이는 이식 후 생존율 향상과 장기적인 치료효과에 기여할 것으로 평가되었다.
이번 연구는 이종세포를 기반으로 한 초고속 spheroid 제작 기술을 실제 치료에 적용한 사례로서, 자가 면역으로 파괴된 췌장기능 회복을 위한 새로운 전략을 제시한다. 향후 Hislet 기반 세포치료제는 고기능성, 고생존율, 고효율 인슐린 분비를 구현할 수 있는 플랫폼으로 발전될 가능성이 크며, 당뇨병뿐 아니라 다양한 세포이식 기반 치료법의 핵심 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
논문명: Subaqueous acoustic pressure system based one day heterotypic pseudo-islet spheroid formation with adipose derived stem cells for graft survival-related function enhancement
주저자: 현지유 박사(1저자), 박준형 박사과정생(1저자), 박현지 교수(교신저자), 이동윤 교수(교신저자), 정지헌 교수(교신저자), 방석호 교수(교신저자) 외
게재지: Bioactive Materials (51권, pp.276–292)
DOI: 10.1016/j.bioactmat.2025.05.005