I. 필요성 및 한계점 : 3차원 생체모사조직의 개발

- 줄기세포 기반 재생의학은 질병치료를 위한 분화세포 이식 치료법 개발 외에 발병기전 이해, 신약개발, 독성평가 및 초기 발생단계의 이해 등 기초 생명과학 지식 확산과 산업적, 임상적 응용을 목적으로 하고 있음.
- 1-2차원적 줄기세포의 배양 및 분화유도 시스템은 생체 조직과 유사한 구조와 기능을 모사하는 분화세포 생성이 불가능하여 상기 재생의학의 목적을 구현하는데 한계점이 있으며, 현재 3차원 생체모사조직 개발 역시 초기 배아발생단계 중 조직 사이 유기적인 상호작용은 배제한 단일 조직 생성기술로서 정확한 생체모사 구현 및 이식 후 체내 효능 검증에는 한계점이 있음.

II. 착안점 및 독창성 : 초기 발생단계 미세환경의 모사

- 초기 배아의 발생단계 시 폐와 간의 budding 및 혈관형성은 심장 기원인 심중배엽 (cardiac mesoderm)에서 분비되는 FGF2, FGF1의 노출 기간 및 농도에 따라서 조절되는 것으로 알려져 있으며, 이는 초기 폐와 간의 형성과정에서 심장이 제공하는 미세환경이 매우 중요함을 시사함 [그림 1].
- 본 과제에서는 이러한 초기 발생단계의 미세환경을 체외에서 구현함으로써 최적의 기능성 폐·간모사조직을 생성을 목표로 하고, 이는 기존의 미세환경을 배제한 단일 조직 생성기술로 구현된 생체모사조직과는 차별화된 전략임.

III. 중요성 : "초기 발생단계 미세환경 기반" 다기원 줄기세포 유래의 생체모사조직

- 생체모사조직 개발의 핵심은 완성도 높은 최적 분화 조직을 만드는 것과 이식 후 근접한 장기들과 유기적으로 연결하는 것이며, 이를 구현하기 위해서는 초기 발생단계와 유사한 미세환경에서 조직을 구성하는 전구세포 또는 모세포의 적절한 혼합과 입체분화 유도기술 개발이 필요함.
- 본 과제에서는 기존의 생체모사조직 개발과 차별화 전략으로서 초기 발생단계 중 심장조직 발생에 기반을 둔 폐 및 간 형성 조절기전을 모사하고, 폐 및 간 조직을 형성하는 다양한 기능성 모세포 및 전구세포를 적절한 비율로 혼합한 배양 환경을 제공함으로써, 재생의학 관점에서 보다 적합한 폐·간 모사조직을 개발하고자 함. 이는 폐와 간 난치 질환 치료와 발병기전 및 독성시험과 신약개발을 위한 플랫폼으로 매우 유용할 것으로 판단됨.





IV. 독창성 : "Naive state 전분화능 세포 선별기술" 전분화성 강화 기반 기술개발

- 전분화성이 강화된 naive 세포의 경우 보다 효과적으로 기능성 분화세포의 생산을 가능하게 하여 줄기세포 실용화를 촉진할 수 있으나, 현재까지 naive 만능줄기세포의 표면 표지자가 개발되지 않아, 전분화성 강화 과정에서 생성된 naive 세포만을 live 상태로 선별하는 것이 불가능함. 따라서, naïve 상태의 줄기세포만을 live 상태로 선별하거나, primed와 naïve 상태의 줄기세포가 혼재되어 있는 상황에서 naïve 상태의 줄기세포만 선별하여 특성을 분석하는 연구가 필요함.
- 전분화능 줄기세포의 분화과정에서 야기되는 NOX-활성산소 유도 세포신호전달 네트워크의 체계적인 이해는 전분화능 줄기세포의 분화 조절을 이해하는데 필수요소라고 사료됨.

- 줄기세포 전분화성 기전 규명 기반 줄기세포 기능 강화 배양 조건 개발.
- 전분화성 강화 naive 세포만을 선별할 수 있는 형광 화합물을 발굴하여, naive 전분화성 세포만을 살아있는 상태로 선별할 수 있는 기술 개발과 특성 분석 연구를 수행함.
- 전분화성 강화 배양 조건과 발생환경 모사 배양 조건을 기반으로 간·폐 생체모사체를 생산하고 기능을 체내외에서 검증하여 간·폐 발생 기전 및 질환 발생을 연구할 수 있는 생체모델을 개발함.
- 전분화능 줄기세포 분화 과정 및 간·폐 생체모사체 확립 과정에서 Nox-ROS 신호전달체계 기전 규명 및 이를 이용한 신개념 분화 조절 원천기술 개발을 목표로 함.

- 제1세부과제: 김계성(한양대, 총괄), 정한성(연세대), 최명준(피토스), 김기성(서울대)
- 제2세부과제: 홍석호/양세란(강원대)
- 제3세부과제: 차혁진(서강대)
- 제4세부과제: 배윤수(이화여대)

I. 제1단계 (1-3차년도) : 줄기세포기반 신개념 활용기술 개발

- 전분화성 강화 줄기세포 배양 조건 개발 및 신호전달체계 기전 규명
- 초기 발생단계 다기원 줄기세포·전구세포 활용 미세환경 모사 공배양시스템 기반 기능성 간/폐 생체모사체 생산 및 체외 효능 검증

II. 제2단계 (4-5차년도) : 신규 줄기세포 활용기술 고도화

- 전분화성 강화 배양 조건 기반 생체모사체 생산 기술 확립
- 기능성 간/폐 생체모사체 생산기술 표준화, 체내 효능 검증 및 생리, 질환 모델 확립

- 본 과제에서 제시한 발생단계 미세환경 모사 분화유도 기술은 재생의학 분야의 핵심 원천기술로 기술적 측면에서 국가경쟁력 강화에 기여.
- 간/폐 생체모사체를 기반으로 한 신약개발은 현재 실험동물 모델을 이용한 평가단계의 정확도를 증진시켜, 임상단계에서의 성공률 향상에 공헌할 것으로 기대됨.