비즈니스 기회
세포간 상호작용 연구용 새로운 실리카 부직포 스캐폴드
일본의 연구원들은 세포를 성장시키고 장기간에 걸친 상호 작용을 관찰하기 위해 실리카 부직포를 기반으로 하는 멤브레인 인서트가 있는 3차원 분리 공동 배양 시스템을 제시합니다. 사진 제공: TUS의 Hidenori Otsuka
서로 다른 세포 간의 의사 소통과 조정은 우리 몸의 많은 기능을 조절하는 기본적인 측면입니다.
파라크린 신호전달(paracrine signaling)로 알려진 이 과정은 세포가 세포외 기질(ECM) 또는 주변 환경으로 신호 분자를 방출하여 세포 과정이나 국소 환경의 변화를 전달하는 것을 포함합니다. 그런 다음 이러한 신호 분자는 인접 세포에 의해 감지되어 다양한 세포 반응을 일으킵니다.
예를 들어, 세포/조직 손상 중에 파라크린 신호전달 과정은 주변 줄기세포에 신호를 보내는 성장 인자를 방출하여 흉터 조직 형성 또는 혈액 응고의 형태로 조직 복구를 돕습니다. 소화, 호흡, 생식과 같은 다른 중요한 기능의 조절에서도 비슷한 과정이 일어납니다. 또한 파라크린 신호는 약물 대사에 관여하는 효소의 발현과 활성에 영향을 미치고 약물 간 상호 작용에 중요한 역할을 합니다.
단백질과 유전 물질을 포함할 수 있는 신호 분자는 엑소좀이라고 하는 작은 소포 내에서 운반됩니다. 이러한 소포는 다양한 질병에 대한 귀중한 바이오마커 역할을 하며 약물을 운반하도록 조작할 수도 있어 매우 효과적인 표적 약물 전달 시스템입니다. 특히 옥시토신(oxytocin) 호르몬과 신경전달물질인 도파민(dopamine)은 파라크린(paracrine) 전달자입니다.
엑소좀이 세포와 세포의 상호작용에 미치는 영향을 조사하기 위해 도쿄이과대학의 오츠카 히데노리(Hidenori Otsuka) 교수와 이시카와 쇼헤이(Shohei Ishikawa) 박사를 포함한 연구팀은 최근 혁신적인 세포 배양 시스템을 개발했습니다. 이들의 연구 결과는 2023년 5월 19일 학술지 '생명공학 및 생명공학(Biotechnology and Bioengineering)'에 게재되었습니다.
제안된 시스템은 서로 다른 세포 유형이 근접하게 배양되는 기존의 공동 배양 시스템과 관련된 몇 가지 제한 사항을 해결합니다.
오츠카 교수는 "일반 하이드로겔과 같은 스캐폴드에서 세포를 3차원으로 배양하면 세포가 증식하고 기능적으로 분화함에 따라 세포를 분리하는 멤브레인 인서트의 스캐폴드가 수축하여 단백질, 엑소좀 등 세포 분비 인자의 침투를 억제하고 기능을 저하시킵니다"라고 설명합니다.
이러한 배양에서의 또 다른 과제는 직접적인 물리적 상호 작용과 파라크린 신호 전달을 통한 세포 간 접촉의 특정 역할을 구별하는 것입니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 고다공성 전기방사 직물의 상호 연결된 네트워크인 실리카 부직포(SNF)가 있는 멤브레인 인서트로 분리된 두 가지 세포 유형으로 구성된 웰 플레이트(분리된 웰이 많은 직사각형 플레이트)를 갖춘 3차원 분리 공동 배양 모델을 설계했습니다. 이러한 분리된 시스템에서는 직접 접촉을 통한 세포 간 상호 작용이 제거됩니다.
또한, SNF의 높은 기계적 강도와 상호 연결된 다공성 네트워크는 수축을 겪거나 세포 기능의 저하를 일으키지 않고 세포 성장을 촉진할 수 있습니다. 이를 통해 서로 다른 세포 유형 간의 상호 작용을 장기간에 걸쳐 유지하고 연구할 수 있습니다.
연구진은 제안된 공동 배양 모델을 사용하여 쥐와 정상 인간 피부 섬유아세포의 원발성 간세포를 별도의 구획에서 동일한 배양 환경 내에서 배양했습니다. 이 두 가지 유형의 세포는 간 조직 내에서 발견됩니다.
간세포는 다양한 대사 기능을 담당하는 반면, 섬유아세포는 ECM 유지에 관여하는 일종의 결합 조직 세포입니다. 이 두 가지 세포 유형을 공동 배양함으로써 팀은 두 세포 유형 간의 상호 작용과 세포 시뮬레이션에서 ECM의 역할을 조사할 수 있었습니다.
연구원들은 SNF 스캐폴드에서 세포를 공동 배양할 때 세포 기능이 크게 개선되는 것을 관찰했습니다. SNF의 고유한 특성으로 인해 파라크린 신호전달을 통한 세포-세포 상호작용을 연구하는 데 이상적인 지원 물질이 되었습니다.
새로운 스캐폴드의 높은 다공성은 3D 배양 환경에서 세포의 침투를 용이하게 했지만, 높은 투과성으로 인해 서로 다른 종류의 세포 간에 신호 분자(또는 용해성 인자)를 효율적으로 교환할 수 있었습니다.
"우리의 발견에 비추어 볼 때, 이 새로운 기술은 약물 스크리닝, 조직 공학 및 재생 의학과 같은 새로운 응용 분야에 대한 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다"라고 Otsuka 교수는 결론지었습니다.
이상의 기사는 2024년 8월 22일 Phys.org에 게재된 “Novel silica nonwoven fabric scaffold enhances understanding of cell-to-cell interactions”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : Novel silica nonwoven fabric scaffold enhances understanding of cell-to-cell interactions (phys.org)
* 추가정보 출처 : Three‐dimensional co‐culture model employing silica nonwoven fabrics to enhance cell‐to‐cell communication of paracrine signaling between hepatocytes and fibroblasts - Ishikawa - 2023 - Biotechnology and Bioengineering - Wiley Online Library