최근 급속한 인구의 고령화와 더불어 식생활 문화의 변화 및 생활환경의 영향으로 만성 질환의 발병률이 꾸준히 증가하고 있다. 본 연구에서는 만성 질환 중 심혈관 질환과 신장 질환의 치료를 위한 고기능성 이식재 제조를 목적으로 하며, 고기능성 이식재의 생물학적 효능을 검증하고자 한다.
첫 번째 장에서는, 산성 PLGA 분해 산물의 세포 내 유입에 대한 수산화마그네슘 입자의 길항 효과를 증명했으며, 인간 관상 동맥 내피 세포에서 산성 PLGA 분해 산물의 축적에 의한 내피 활성화를 억제한다는 것을 입증하였다.
스텐트 시술 후 발생하는 재협착은 관상 동맥 치료의 주요 문제로 간주되어 왔다. 약물 방출 스텐트 (DES)는 재협착률을 최소화하기 위해 개발되었지만, 최근 DES 시술 후에 스텐트 혈전증 (stent thrombosis)의 발생빈도가 베어 메탈 스텐트 (Bare metal stent)에 비하여 높다는 주장이 제기되면서 DES의 안전성에 대한 우려가 확산되고 있다. 이렇게 DES 이식 후 매우 늦은 시기까지 혈전증이 발생하는 이유로는 약물을 코팅하기 위해 사용되는 고분자에 의한 혈전 형성 및 이에 대한 과민 반응 등이 제시되고 있다. PLGA (Poly(lactic-co-glycolic acid))는 DES의 코팅에 가장 일반적으로 사용되는 고분자이다. 그러나 이식 부위에 산성 PLGA 분해 산물이 축적되면 국소적으로 조직 내 산도가 증가하여 염증 반응을 자극 할뿐만 아니라, 인접 조직의 생물학적 기능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서 우리는 PLGA의 분해로 인한 생체 내 부작용을 완화하기 위하여 수산화마그네슘 (Magnesium hydroxide, MH) 입자를 포함한 PLGA 기반 지지체 개발하였고, 그의 기능성을 증명하였다. 그러나 수산화마그네슘을 포함한 지지체에서 관찰된 보호 효과의 근본적인 생물학적인 기전은 아직 밝혀지지 않았다.
따라서 본 연구에서는 PLGA 분해 산물로 인한 혈관 내피 활성화의 병리학적 기전을 입증하고, PLGA 분해 산물에 의해 유도 된 다양한 세포 내 스트레스 반응을 관찰하여 수산화마그네슘 입자의 방어 효과를 입증하였다. 모노 카르복실레이트 수송 체 1 (Monocarboxylate transporter 1, MCT1)을 통해 혈관 내피세포에 축적 된 PLGA 분해 산물은 산화 스트레스와 미토겐활성화단백질키나아제(Mitogen activated protein kinases, MAPKs)의 활성 및 핵인자 κB (Nuclear factor κB, NF-κB)의 활성을 유도한다. 마지막으로, PLGA 분해산물은 혈관 세포 부착 분자 1 (VCAM-1)의 발현과 전 염증성 사이토카인의 분비를 증가 시켰다. 한편, 수산화마그네슘의 첨가는 이 분자 경로의 활성화와 염증 관련 인자의 발현을 현저히 감소시켰다. 또한 수산화마그네슘에서 방출 된 마그네슘 이온은 세포 내부와 외부에서 내피 기능을 유지하는데 영향을 주었다.
요약하면, 수산화마그네슘에서 방출 된 수산화 이온은 혈관내피세포의 세포막을 가로 지르는 PLGA 분해 생성물의 단방향 양성자 연결 수송을 감쇠시킬 수 있다. 또한, 수산화마그네슘에서 방출 된 마그네슘 이온은 혈관 내피 세포의 기능에 직접적인 영향을 미치며, 이는 세포 내부와 외부에서 혈관벽의 기능적 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 이는 PLGA로 코팅 된 기능성 DES에 수산화마그네슘을 첨가하면 PLGA의 분해 산물에 의한 세포 스트레스 반응을 방지하고, 내피 기능을 향상시킬 수 있음을 시사한다. 이 개념은 거의 모든 생분해 성 고분자를 사용하는 이식재 및 의료 기기에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
두 번째 장에서는, 수산화마그네슘, 탈세포화된 신장 세포외 기질, 생체활성물질인 폴리데옥시리보뉴클레오타이드(polydeoxyribonucleotide, PDRN) 및 전염증성 사이토카인(proinflammatory cytokine)으로 자극한 중간엽 줄기세포에서 파생 된 세포외 소포체로 기능화한 통합 생체활성 PLGA 지지체를 제조하였다.
만성 신장질환(CKD)은 발병률과 유병률 증가와 더불어 높은 진료비 부담으로 선진국에서 심각한 공중보건 우려사항으로 간주되고 있다. 현재 CKD에 이용 가능한 치료는 복막 투석, 혈액 투석, 및 신장 이식 등의 신장 교체 요법에 기초하고 있다. 하지만 건강한 기증자로부터 제공되는 가용 신장의 수는 증가하는 환자의 수요를 충족시키기에 충분하지 않다. 따라서 최근에는 기능성 신장조직의 재생을 통해 이러한 문제를 해결할 수 있는 혁신적인 조직공학 및 재생의학이 유망한 접근방식으로 제시되고 있다. 신장 조직 공학 및 재생 접근법은 만성 신장 질환의 치료에 잠재력을 가지고 있지만, 복잡한 신장 조직의 구조 및 기능 때문에 신장 재생 의학의 생체 내 적용에는 추가적인 연구가 필요하다.
본 연구에서는 고기능성 복합 지지체를 제조하기 위하여 다공성 PLGA 지지체에 수산화마그네슘, 탈세포화된 신장 세포외 기질 (decellularized kidney extracellular matrix, kECM), 생체활성 물질인 폴리데옥시리보뉴클레오타이드(polydeoxyribonucleotide, PDRN) 및 전염증성 사이토카인인 종양괴사인자-α(Tumor necrosis factor alpha, TNF-α)와 인터페론-γ(Interferon gamma, IFN-γ)에 의하여 자극된 중간엽 줄기세포에서 파생 된 세포외 소포체(TI-EVs)를 첨가하여 생물학적 활성이 있는 신장 조직 재생용 지지체(PME/PDRN/TI-EV)를 제조하였다.
MH, kECM, PDRN, TI-EVs의 조합은 염증, 혈관신생, 섬유화 과정의 조절을 통해 신장 조직 재생에 시너지 효과를 보였다. 또한, 기존에 제작된 PME 지지체에 비해 PME/PDRN/TI-EV 지지체가 부분적 신절제술의 마우스 모델에서 사구체의 재생과 신장 기능의 복원을 효과적으로 유도하였다. 따라서 MH와 kECM을 포함하는 다공성 PLGA 지지체의 생물물리학적 신호뿐만 아니라 생체활성 물질, PDRN 및 TI-EVs의 생화학적 신호들을 제공할 수 있는 통합 생체 활성 지지체는 효과적인 신장 조직 재생을 유도하였다. 본 연구에서 개발된 지지체 시스템은 수산화마그네슘의 중화 기능, 생체모방성 신장의 ECM, 그리고 재생성 물질인 PDRN과 TI-EVs로 기능화 되었으며, 이들 성분의 시너지 상호작용은 섬유화, 염증반응을 완화시키고 신장세포의 재생유도 과정에 최적의 미세 환경을 제공했다. 특히 PDRN과 TI-EVs의 조합은 새로운 혈관 생성, 신장 섬유화 완화, 면역 반응 억제 및 재생을 촉진할 수 있는 면역세포의 유도에 효과적이었다.
따라서 이러한 고기능성 지지체 플랫폼은 혈관신생, 염증, 섬유증과 관련된 난제를 해결할 수 있으며, 만성 신장질환에서 신장 기능의 부분적 증강을 위한 이상적인 치료 전략이 될 수 있다.