미세골절술 한계 넘나…'인공 단백질'로 연골 완벽 재생

국내 연구진이 기존 미세골절술의 한계를 극복하고 손상된 관절 연골의 구조와 기능 재생을 유도하는 새로운 인공 단백질 소재를 개발했다.

23일 중국 바이오 전문매체 바이오온에 따르면, 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 천연 연골의 구조와 기능을 모방한 인공 단백다당체 복합체(DSPG@Pep)에 대한 연구 결과가 게재됐다. 기존 미세골절술은 연골을 재생해도 역학적 강도가 약한 섬유 연골이 생성돼 수년 내 퇴화하는 한계가 있었다.

연구팀은 천연 연골에서 콜라겐 섬유가 단백다당체의 과도한 팽창을 막아 안정성을 유지하는 원리에 착안했다. 비단에서 추출한 실크 피브로인과 티올화된 히알루론산을 결합해 'DSPG'라는 인공 단백다당체 복합체를 만들고, 여기에 생리활성 펩타이드를 붙여 'DSPG@Pep'을 최종 개발했다.

개발된 소재는 압축과 팽창에 강한 구조적 안정성을 보였다. DSPG의 유효 탄성계수는 5.8메가파스칼(MPa)로 대조군보다 3배 높았으며, 완충액에 30시간 담가도 변형이 거의 일어나지 않았다.

특히 DSPG@Pep은 손상 부위로 줄기세포를 끌어들이는 '자가 활성화' 기능이 특징이다. 토끼 연골 결손 모델에 이식한 결과, 7일 후 줄기세포 표지자인 CD73, CD44, CD90 양성 세포 수가 가장 많아 내인성 줄기세포를 효과적으로 유도하는 것으로 확인됐다.

또한 이 소재는 줄기세포가 양질의 연골로 분화하도록 유도했다. DSPG@Pep 처리군은 연골의 핵심 성분인 제2형 콜라겐과 글리코사미노글리칸(GAG) 발현을 높이는 동시에, 연골의 비대 및 골화를 유발하는 제10형 콜라겐 발현은 억제했다.

연구팀은 전사체 분석을 통해 DSPG@Pep이 칼슘 신호 전달 경로와 골화 관련 유전자를 억제함으로써 연골 재생에 유리한 환경을 조성하는 기전을 규명했다.

이러한 효과는 토끼와 돼지를 이용한 대동물 모델에서도 입증됐다. 토끼 모델에서는 20주 후, 돼지 모델에서는 5개월 후 각각 결손 부위가 주변 조직과 잘 융합된 새로운 연골로 완전히 덮인 것이 확인됐다. 연구팀은 이번 연구가 내인성 연골 재생을 위한 새로운 치료 전략으로 임상 적용 가능성이 높다고 평가했다.