원문링크: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abf7832

연구 배경

제 1형 당뇨병의 경우, 췌장의 췌도 세포의 기능 상실 내지는 비활성화로 인해 혈당조절을 하지 못해, 이를 극복하기위해 주기적으로 인슐린 주입을 요하기 때문에 환자 삶의 질이 현저히 떨어지게 된다. 이 경우는 인슐린 주사로 대체가 많은 위험을 내포하고있어, 췌도세포 이식이 시행되고있다. 췌장 베타 세포를 이식하였을 때 세포의 생존율이나 혈액 내에서의 세포 표면코팅의 안정성이 확보되지 않으면 면역세포에 의한 공격으로 세포사멸로 치료효과를 기대하기 어렵다. 알긴산나트륨을 이용한 세포 encapsulation 및 나노필름 기술 등이 도입되고 있으나, 캡슐 두께가 두껍고 및 pore크기가 너무커서 혈당 인식-인슐린 분비가 즉각적이지 못하고, 면역세포에서 분비되는 사이토카인, 항체 등의 공격으로 면역반응 유도에 의한 세포의 사멸 및 세포의 섬유화 등의 위험성을 내재하고 있어 면역 억제제의 계속적인 투여가 현실적인 문제점으로 대두되고있다.

연구 성과

정전기적 인력을 이용해 티라민(tyramine)으로 수식된 생물 유래 고분자인 글리콜키토산(양전하 당고분자)과 히알루론산(음전하 당고분자)을 차례로 적층하는 방식으로 나노필름을 제작이 쉽게 가능함이 잘 알려져있다. 기존의 고분자 적층방식은 단지 정전기적 인력만을 이용한 적층이라 지속력이 낮은 단점이 있다. 이 단점을 극복하기 위해 고분자에 접합된 티라민을 기질로 사용하고, 가교 속도가 빠른 신규한 방선균 유래 티로시나아제(Streptomyces avermitilis tyrosinase)를 이용하여 적층된 고분자 층 사이를 가교하면 더욱 견고하고 지속력 높은 나노필름을 제작하게된다. 효소 가교가 도입된 최적화된 나노필름의 두께는 6층(L6)으로 이루어진 약 140nm 두께의 하이드로겔로 얇은 두께임에도 물리적 자극에 안정성 유지 및 면역세포의 공격으로부터 세포를 보호하며, 혈당 인식 및 인슐린 분비가 즉각적이었다. 본 연구팀은 쥐의 췌도세포인 MIN6 세포에 상기한 케이징 기술을 적용하고 제 1형 당뇨가 유발된 쥐의 신장에 이식하여 한달 동안의 혈당조절에 성공했다. 가교 기술을 도입하지 않은 그룹과 비교했을 때 가교된 나노필름 그룹에서의 혈당 조절이 월등히 좋은 것을 보아 효소 가교의 우수성을 입증했다. 또한 나노필름 기술은 단일세포 및 세포 덩어리(spheroid)에 모두 적용이 가능하기 때문에, 이종장기 이식이나 줄기세포를 이용한 질병치료에도 적용이 가능할 것으로 예상된다.

향후 계획

공동 연구팀은 ‘세포 케이징’기술의 국제특허 출원과 함께 본 세포 코팅 기술을 동종 및 이종 제 1형당뇨병 환자에게 췌도이식을 할 수 있는 병원의 표준 프로토콜로 보급하기위해, 대동물(돼지 및 원숭이)에서의 췌도이식 실험을 통해 안정성과 효용 가능성을 확인하고 전임상실험 및 임상 실험을 거쳐 실용화 연구를 계속하려한다. 이와 같은 기술 개발은 %26lt;바이오 유망기술 글로벌 창업지원사업%26gt;(바이오아이코어 사업단)에 예비창업팀으로 선정되어 실용화 연구에 착수했으며, 앞으로 국내∙외의 이종장기개발 기업 및 세포치료제 개발 기업들과 협력하여 새로운 상품을 개발하고 글로벌제약회사에 기술이전은 물론 협력연구를 진행할 계획이다.

abstract

Pancreatic β cell therapy for type 1 diabetes is limited by low cell survival rate owing to physical stress and aggressive host immune response. In this study, we demonstrate a multilayer hydrogel nanofilm caging strategy capable of protecting cells from high shear stress and reducing immune response by interfering cell-cell interaction. Hydrogel nanofilm is fabricated by monophenol-modified glycol chitosan and hyaluronic acid that cross-link each other to form a nanothin hydrogel film on the cell surface via tyrosinase-mediated reactions. Furthermore, hydrogel nanofilm formation was conducted on mouse β cell spheroids for the islet transplantation application. The cytoprotective effect against physical stress and the immune protective effect were evaluated. Last, caged mouse β cell spheroids were transplanted into the type 1 diabetes mouse model and successfully regulated its blood glucose level. Overall, our enzymatic cross-linking–based hydrogel nanofilm caging method will provide a new platform for clinical applications of cell-based therapies.