연골 재생을 위한 기능성 생체주입형 하이드로젤 개발

Abstract

Tissue engineering requires polymer scaffolds that mimic important functions of extracellular matrix (ECM) in the body. Controlling cell-matrix interactions is a critical factor for regulating cell behaviors, such as adhesion, proliferation, and differentiation in tissue engineering. An RGD peptide has been widely used to increase cell-matrix interactions, functionalize alginate. Cell-matrix interactions were quantitatively estimated by FRET and FCS techniques that established the system that successfully designed new polymer scaffolds. For cartilage regeneration, two types of biocompatible hydrogels were developed. Cell cross-linked alginate/hyaluronate hydrogels were prepared using specific interactions between integrin receptor of cell and RGD peptide of alginate. Besides, ionically cross-linkable, alginate grafted hyaluronate hydrogels were also developed without chemical reagents. These hydrogels could deliver the primary chondrocytes in a minimally invasive manner. The hydrogels also effectively regenerated cartilage tissues in vivo. Cell-cell interactions were also important for cartilage tissue regeneration as well as cell-matrix interactions. As the controlling of cell-cell interactions, the chondrogenic differentiation was induced in RGD-modified alginate hydrogel. These researches may be widely utilized for biomedical applications as well as design of functionalized polymer scaffolds and regeneration of cartilage tissues for tissue engineering.|조직공학은 노화 또는 사고로 인해 손상된 조직 또는 장기를 대체하기 위한 인공조직 또는 인공장기를 만드는 방법이다. 조직을 효과적으로 재생하기 위해 고분자 지지체는 반드시 필요한데, 이러한 고분자 지지체는 우리 몸의 세포외 기질(ECM)을 모사해 세포가 성장할 수 있는 환경을 조성해 준다. 고분자 지지체와 세포와의 상호작용은 세포의 거동(부착, 증식, 분화)을 조절하는데 아주 중요한 역할을 한다. RGD 펩타이드는 이러한 고분자 지지체의 세포와의 상호작용을 증가시키는데 이용되는 물질로 이를 이용해 알긴산 고분자에 세포 친화적인 기능성을 부여하였다. 이렇게 기능성을 부여한 알긴산을 이용해 조직공학적으로 이용함에 있어 보다 정밀하게 세포와의 상호작용을 조절하는 것이 필요하였고, 이를 FRET과 FCS 기술을 이용하여 정량분석 할 수 있는 시스템을 구축하였다. RGD 펩타이드가 도입된 알긴산과 세포와의 특이적 상호작용을 이용해 세포 가교 알긴산/하이알우론산 하이드로젤을 제조하였고, 동물 실험을 통해 연골 조직 재생능을 확인하였다. 그리고 연골조직 재생능이 뛰어난 하이알우론산에 RGD 펩타이드가 도입된 알긴산을 결합시켜 독성이 있는 화학적 가교제를 사용하지 않고 칼슘 이온을 이용하여 가교시킬 수 있는 이온가교 하이드로젤을 개발하여 보다 적은 수의 세포를 이용해 효과적으로 연골조직을 재생할 수 있음을 확인하였다. 또한 하이드로젤 내에서 ATDC5 세포를 3차원 배양한 후 분석을 통해 연골조직을 재생하는데 고분자 지지체와 세포와의 상호작용 뿐만 아니라 세포 간 상호작용도 중요한 역할을 함을 증명하였다. 이러한 연구 결과는 기능성 고분자 지지체 제조와 연골 조직 재생뿐만 아니라 의생명공학 분야에 폭넓게 이용될 수 있을 것으로 생각된다.