[과학을읽다]차세대 나노입자-줄기세포 복합체, 뼈 재생의 새 지평 열다

기존 세포 스페로이드의 한계 극복…뼈 재생률 1.3배 향상
골손상 치료·조직재생 플랫폼·신약평가 모델로 확장 기대

국내 연구진이 나노입자와 줄기세포를 결합해 3차원 뼈 조직 재생 효율을 획기적으로 높이는 기술을 개발했다. 이번 성과는 골절이나 골 손상 치료뿐 아니라 차세대 재생의학의 패러다임을 바꿀 기술로 평가된다.

김기영 한국화학연구원 박사와 하미진 선문대학교 교수 공동연구팀은 인체 지방유래 줄기세포(hADMSC)에 다공성 실리카 나노입자(mSiO₂)를 결합해 '나노 바이오 하이브리드 세포'를 제작, 뼈 형성 능력을 대폭 향상시키는 데 성공했다고 26일 밝혔다.

주요 논문 기여자. 왼쪽 아래부터 시계 반대 방향으로 하미진 선문대 교수(1저자), 김기영 화학연 책임연구원(교신저자), 정원훈 선임연구원(공동저자), 최경진 연구원(공동저자). 한국화학연구원 제공

줄기세포를 이용한 3차원 세포 덩어리(스페로이드·오가노이드)는 장기나 조직을 모사하는 연구에 널리 활용되어 왔지만, 내부로의 산소·영양 공급이 어려워 세포 사멸이나 불균일 분화가 발생하는 한계가 있었다. 이로 인해 실제 뼈 재생 치료나 신약평가 모델로 적용하기엔 제약이 컸다.

연구팀은 줄기세포 표면에 나노입자를 고르게 부착시켜 세포들이 서로 얽혀 안정적인 구형 구조를 형성하도록 유도했다. 나노입자는 세포 사이에서 '지지대'로 작용하면서 동시에 뼈 형성을 촉진하는 성장 인자를 실어 서서히 방출한다. 즉, '영양 캡슐'을 등에 멘 세포가 스스로 뼈로 변신하는 구조다.

이 복합체를 쥐 두개골 결손 모델에 이식한 결과, 6주 만에 결손 부위의 36%가 새 뼈로 채워졌다. 세포만으로 구성된 기존 스페로이드 대비 약 1.3배 높은 재생률이다. 세포 생존율도 크게 향상되며, 균일한 뼈 분화가 이루어졌다.

뼈 재생 한계 넘어선 '나노입자-직조 줄기세포'

기존 스페로이드 기술은 구조적 불안정성과 분화의 불균일성 때문에 일관된 재생 효과를 내기 어려웠다. 연구팀은 세계 최초로 다공성 실리카 나노입자를 줄기세포 표면에 안정적으로 결합시키는 데 성공, 균일한 분화와 높은 생존율을 동시에 확보했다.

나노입자-직조 줄기세포 기반 스페로이드의 뼈 재생 효과 입증을 설명하는 그림. 연구팀 제공

특히 나노입자가 골형성 인자를 탑재해 서서히 방출하면서 뼈 조직 재생 속도를 높이는 새로운 개념의 '나노입자-직조 줄기세포(Nanoparticle-Woven Stem Cells)' 기술을 완성했다. 이로써 구조적 안정성, 세포 간 일관성, 분화 효율 등 기존 스페로이드의 근본적 한계를 극복했다.

이번 기술은 △골절·골다공증 등 난치성 뼈 질환의 재생치료제 △환자 맞춤형 세포·조직재생 치료 플랫폼 △균일한 뼈 재생을 유도하는 이식형 바이오 임플란트 등 다양한 형태로 응용이 가능하다.

또한 실제 인체와 유사한 3차원 뼈 조직을 실험실에서 구현할 수 있어, 신약의 독성이나 효과를 평가하는 전임상 모델로도 활용될 전망이다. 이는 재생의학뿐 아니라 신약개발 과정의 효율성과 비용 절감에도 기여할 수 있다.

임상·산업 확장 준비…재생의료 시장 파급 기대

연구팀은 향후 첨단재생의료기술 개발사업 등 정부 연구과제와 연계해 임상 적용 및 상용화를 추진할 계획이다. 대형 동물 모델 검증과 우수제조관리기준(GMP) 공정 확립을 통해 임상 단계 진입을 위한 기술 고도화에도 나선다.

연구팀이 실험용 쥐에게 나노입자-줄기세포 복합체 이식 실험을 하고 있다. 연구팀 제공

김기영 박사는 "이번 성과는 뼈 재생을 넘어 연골, 피부 등 다양한 조직 재생으로 확장될 수 있는 핵심 플랫폼 기술"이라며 "고령화 사회의 만성 골 질환 치료에 실질적 도움을 줄 수 있을 것"이라고 말했다.

이영국 화학연 원장은 "줄기세포 기반 재생기술을 통해 정형외과·치과·성형외과 등 고부가가치 의료기기 산업에 새로운 활력을 불어넣을 것"이라고 기대했다.

이번 연구 결과는 미국화학회(ACS)가 발간하는 국제학술지 'ACS Biomaterials Science & Engineering(영향력 지수 5.5)'에 2025년 8월 게재됐다. 논문명은 "3차원 뼈 재생을 혁신하는 나노입자-줄기세포 복합체 기술(Nanoparticle-Woven Stem Cells as Innovative Building Blocks for Enhanced 3D Bone Development and Tissue Regeneration)"이다. 김기영 박사가 교신저자, 하미진 교수가 제1 저자로 참여했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr