수학적 알고리즘으로 생체 반응의 숨겨진 코드 해독… 줄기세포 원격 제어 기술 개발

▲(그림1) 그래프 이론 기반 리간드 네트워크 모델을 이용한 줄기세포 조절 시스템의 모식도. 균일한 간격으로 배열된 리간드 결합 골드 나노입자(리간드 꼭짓점)가 서로 연결되어 삼각형 형태의 네트워크를 형성하며, 이는 루뱅 알고리즘을 기반으로 클러스터 분배되어 클러스터 사이 변의 개수가 계산됨. 나노 스케일에서의 이방성이 증가할수록 클러스터 사이 변 개수의 평균값은 감소하며, 이는 줄기세포의 부착과 기계적 신호 전달 및 분화를 억제하는 효과를 가짐.

▲(그림2) 가역적 자성 조절을 이용한 그래프 이론 기반 리간드 네트워크 모델의 모식도 나노 자성막대의 배열 및 높낮이를 자성을 통해 가역적으로 조절 가능한 리간드 네트워크 모델의 모식도이며, 높은 이방성 나노 자성막대가 정렬 및 상승된 상태에서는 클러스터 간 연결이 강화되어 세포의 기계적 반응과 부착을 촉진할 수 있음. (자료=고려대 강희민 교수)

한국연구재단(이사장 홍원화)은 고려대 강희민 교수 연구팀이 수학적 모델링과 자기장을 활용해 줄기세포의 행동을 원격으로 제어할 수 있는 혁신적인 시스템을 개발했다고 23일 밝혔다. 이 연구는 줄기세포를 기반으로 한 맞춤형 재생 치료와 조직 재생 연구에 새로운 가능성을 제시하며 주목받고 있다.

줄기세포 행동 제어, 리간드 네트워크로 구현

연구팀은 생체 내 세포 행동을 조절하는 데 핵심적인 역할을 하는 세포외기질(ECM) 네트워크의 동적 연결성을 모사하는 기술을 개발했다. ECM은 세포 부착과 신호 전달, 조직 재생 등에서 중요한 역할을 하지만, 기존 연구는 이 동적인 특성을 완전히 모사하는 데 한계가 있었다.

이번 연구에서는 금 나노입자와 리간드 네트워크를 기반으로 한 모델을 제작해 자기장을 이용한 정밀한 제어 시스템을 구현했다. 특히, 이방성 자성 나노막대를 통해 리간드 네트워크의 연결성을 원격으로 조절하며 줄기세포의 부착, 신호 전달, 분화를 체계적으로 제어했다.

수학적 모델링과 생체 적용 가능성

연구팀은 그래프 이론 기반의 수학적 모델링을 적용해 리간드 연결성을 정량적으로 분석하고, 이를 통해 줄기세포의 행동을 정밀하게 조절하는 데 성공했다. 이를 통해 조직 재생을 위한 세포 행동의 조절 메커니즘을 규명했으며, 이 시스템은 맞춤형 치료 기술로 활용될 가능성이 높다는 평가를 받고 있다.

강희민 교수는 “이번 연구는 줄기세포의 행동을 원격으로 제어하는 혁신적인 기술로, 재생 의료와 조직 공학 분야에서 새로운 방향성을 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다"며 “자성 나노막대의 생체 안전성과 실시간 제어 특성을 활용해 다양한 의료 기술에 적용할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

다만, 그는 “복잡한 3D 생체 환경에서 이 시스템의 장기적 안정성과 효과를 검증하는 후속 연구가 필요하다"고 덧붙였다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구 지원사업의 지원을 받아 진행됐으며, 연구 성과는 재료 분야 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 12월 23일 자로 게재되었다.

이 기술은 줄기세포를 활용한 맞춤형 재생 치료는 물론, 의료 기술의 정밀도를 높이고 다양한 세포 제어 기술 개발에 기여할 것으로 기대되고 있다.

▲저자 : (왼쪽부터) 교신저자 강희민교수, 제1저자 김초원, 제1저자 강나연

※ 논문 소개

- 논문명 : Modularity-based Mathematical Modeling of Ligand Inter-Nanocluster Connectivity for Unraveling Reversible Stem Cell Regulation

- 저널명 : Nature Communications

- 키워드 : Mathematical Modeling(수학적 모델링), Ligand Interconnectivity(리간드 연결성), ECM Mimicking (ECM 모방), Reversible Cell Regulation (가역적 세포 조절), Tissue Regeneration (조직 재생)

- 저 자 : 강희민 교수(교신저자/고려대), 유 슈라이크 장(Yu Shrike Zhang) 교수 (교신저자/Harvard Medical School), 김초원 (제1저자, 고려대), 강나연 (제1저자, 고려대), 민선홍 (공동저자, 고려대), 라마 땅감 (Ramar Thangam) (공동저자, 고려대), 이성규 (공동저자, 고려대), 홍현식 (공동저자, 고려대), 김강현 (공동저자, 고려대), 김성열 (공동저자, 고려대), 김다희 (공동저자, 고려대), 라현지 (공동저자, 고려대), 탁경렬 (공동저자, 한국과학기술연구원), 이현정 (공동저자, 한국과학기술연구원), 넴 싱 (Nem Singh) (공동저자, 고려대), 정다운 (공동저자, 고려대 안암병원), 황장선 (공동저자, 고려대 안암병원), 김유리 (공동저자, 고려대), 박상우 (공동저자, 고려대), 이상욱 (공동저자, 연세대), 김태언 (공동저자, 한국재료연구원), 김상욱 (공동저자, 고려대 안산병원), 스티브 박 (Steve Park) (공동저자, 한국과학기술원), 솔마즈 카라미캄카르 (Solmaz Karamikamkar) (공동저자, Terasaki Institute), 양지 주 (Yangzhi Zhu) (공동저자, Terasaki Institute), 알리레자 하사니 나자파바디 (Alireza Hassani Najafabadi) (공동저자, Terasaki Institute), 지친 추 (Zhiqin Chu) (공동저자, The University of Hong Kong), 우진 선 (Wujin Sun) (공동저자, Virginia Tech), 팽차오 자오 (Pengchao Zhao) (공동저자, South China University of Technology), 쿤유 장 (Kunyu Zhang) (공동저자, South China University of Technology), 리밍 비안 (Liming Bian) (공동저자, South China University of Technology), 송현철 (공동저자, 한국과학기술연구원), 박성규 (공동저자, 한국재료연구원), 김종승 (공동저자, 고려대), 이상엽 (공동저자, 고려대), 안재평 (공동저자, 한국과학기술연구원), 김홍규 (공동저자, 한국과학기술연구원).

송기우 기자 kwsong@ekn.kr