물리학자, 화학자 및 조직 공학 전문가로 구성된 팀은 특수 설계된 금 나노 입자를 사용하여 특정 인간 뼈 줄기 세포를 '찾아내고' 형광 빛을 만들어 다른 유형의 세포 사이에서 존재를 드러내고 분리되거나 ' 풍부하다'. 연구원들은 그들의 새로운 기술이 다른 방법보다 간단하고 빠르며 줄기 세포를 강화하는 데 최대 50-500배 더 효과적이라고 결론지었다.
물리천문학부 양자, 빛, 물질 그룹의 근골격 과학 교수 Richard Oreffo와 Antonios Kanaras 교수가 주도한 이 연구는 국제적으로 인정받는 종합 학술지인 ACS Nano에 게재되었다.
실험실 테스트에서 연구원들은 올리고뉴클레오티드(DNA 가닥)로 코팅된 수천 개의 금 원자로 구성된 작은 구형 입자인 금 나노입자를 사용하여 골수에 있는 골격 줄기 세포의 특정 메신저 RNA(mRNA) 서명을 광학적으로 감지했다. 검출이 발생하면 나노 입자는 형광 염료를 방출하여 현미경 관찰에서 줄기 세포를 다른 주변 세포와 구별할 수 있도록 한다. 그런 다음 줄기 세포는 정교한 형광 세포 분류 프로세스를 사용하여 분리할 수 있다.
줄기세포는 아직 전문화되지 않은 세포로 다양한 기능을 수행하도록 발달할 수 있다. 골격 줄기 세포를 식별하면 과학자들이 정의된 조건에서 이러한 세포를 성장시켜 뼈와 연골 조직의 성장과 형성을 가능하게 한다. 예를 들어 부러진 뼈를 고치는 데 도움이 된다.
우리의 고령화 인구가 제기하는 과제 중 하나는 뼈 수리에 대한 새롭고 비용 효율적인 접근 방식의 필요성이다. 전 세계적으로 여성 3명 중 1명, 남성 5명 중 1명은 골다공증 골절 위험이 있어 그 비용이 상당하다. 골절만 해도 유럽 경제는 연간 170억 유로, 미국 경제는 200억 달러에 달한다.
사우샘프턴 대학의 뼈 및 공동 연구 그룹 내에서 Richard Oreffo 교수와 그의 팀은 뼈 조직 발달을 이해하고 뼈와 연골을 생성하기 위해 15년 이상 뼈 줄기 세포 기반 치료법을 연구해 왔다. 같은 기간 동안 양자, 빛 및 물질 그룹의 Antonios Kanaras 교수와 그의 동료들은 새로운 나노물질을 설계하고 생물의학 및 에너지 분야에서의 응용을 연구해 왔다. 이 최신 연구는 이러한 분야를 효과적으로 통합하고 협력, 학제 간 작업이 가져올 수 있는 영향의 한 예이다.
Oreffo 교수는 "골격 줄기 세포 기반 치료법은 고령화 인구를 위한 골 질환 치료 및 골 재생 의학에서 가장 흥미롭고 유망한 분야 중 일부를 제공한다. 현재 연구는 골격 줄기를 풍부하게 할 것으로 생각되는 표적의 독특한 DNA 서열을 활용했다. 우리는 FACS(형광 활성 세포 분류/Fluorescence Activated Cell Sorting)를 사용하여 환자의 뼈 줄기 세포를 풍부하게 할 수 있었다. 고유한 마커의 식별은 뼈 줄기 세포 생물학의 성배이며 아직 갈 길이 남아 있다. 이러한 연구는 다음을 제공한다. 인간의 뼈 줄기 세포와 그 안에 있는 흥미로운 치료 잠재력을 표적화하고 식별하는 능력의 단계적 변화이다."
Oreffo 교수는 다음과 같이 덧붙였다. "중요하게, 이러한 연구는 나노물질의 화학 플랫폼 기술과 결합된 최첨단 분자/세포 생물학의 도전적인 문제를 해결하기 위한 학제간 연구의 이점을 보여준다."
Kanaras 교수는 "복잡한 시스템에 적용하려면 적절한 재료 설계가 필수적이다. 나노 입자의 화학을 맞춤화하여 설계에서 특정 기능을 프로그래밍할 수 있다."고 말했다.
"이 연구 프로젝트에서 우리는 골격 줄기 세포에서 HSPA8 mRNA 및 Runx2 mRNA를 감지할 수 있는 짧은 DNA 서열로 코팅된 나노입자를 설계하고 고급 FACS 게이팅 전략과 함께 인간 골수에서 관련 세포를 분류할 수 있도록 했다.
"나노물질 설계의 중요한 측면은 세포에서 DNA 효소 분해를 방지하는 데 도움이 되는 나노입자 표면의 올리고뉴클레오타이드 밀도를 조절하는 전략을 포함한다. 올리고뉴클레오타이드의 형광 리포터를 사용하면 다양한 단계에서 나노입자의 상태를 관찰할 수 있다. 세포내 센서의 품질을 보장한다."
과학자들은 현재 단일 세포 RNA 시퀀싱을 Oxford의 파트너와 Southampton의 생명 과학 연구소(IfLS)와 함께 개발한 플랫폼 기술에 적용하여 뼈 줄기 세포를 더욱 정제하고 강화하며 기능을 평가하고 있다. 팀은 개념 연구의 증거를 생성하기 위해 전임상 뼈 형성 연구와 함께 임상 적용으로 이동할 것을 제안한다.
