[쿠키과학] KAIST, 줄기세포 생존 한계 넘는 3차원 배양 기술 개발

고분자 ‘poly-Z’로 3차원 스페로이드 구조 형성 유도
체내 조기 사멸 한계 극복, 생존력·치료효과 동시 향상
분화능·면역조절능 강화, IDO·PGE2 분비 증가 확인
대장염·간손상 동물모델서 염증 억제 효과 입증

승인 2026-04-29 14:37:10

합성 고분자 매트릭스 poly-Z 상 인간 지방유래 줄기세포 스페로이드 형성 모식도. KAIST

관절염이나 장염, 간 손상 같은 질환에 쓰이는 줄기세포 치료 효과를 크게 끌어올릴 수 있는 기술이 나왔다.

이 기술은 줄기세포가 체내에서 조기에 사멸하는 고질적 한계를 극복하고 생존력과 치료 성능을 동시에 높이는 3차원 세포 배양이 특징이다.

KAIST 생명과학과 전상용 교수팀은 고분자 물질인 ‘폴리-지(poly-Z)’를 활용해 줄기세포 기능과 체내 지속성을 강화하는 새로운 배양 플랫폼을 개발했다.

줄기세포는 손상 조직 회복에 탁월해 재생의료 핵심으로 꼽히지만, 2차원 배양 시 세포가 늙어 기능이 떨어지거나 이식 후 금방 죽는 문제가 있었다.

3차원 배양 역시 일부 개선 효과를 보였지만, 체내 생존성과 기능 유지에는 한계가 남아 있었다.

연구팀은 실리콘과 산소로 구성한 생체 친화 고분자 실록산을 그물 구조로 연결한 합성 고분자 매트릭스 폴리-지를 만들어 이 문제를 해결했다.

poly-Z 배양 지방유래 줄기세포 스페로이드의 세포외기질, 줄기세포능, 면역조절 특성 분석. KAIST

연구팀은 이 물질을 배양 기판에 적용해 세포가 바닥에 붙지 않고 스스로 뭉쳐 3차원 구조를 형성하도록 유도했다.

이 과정에서 줄기세포는 실제 인체와 유사한 미세환경을 확보했다.

폴리-지 기반 3차원 배양에서 형성된 줄기세포는 분화능과 면역조절 능력이 크게 향상됐다.

폴리-지 배양판은 영양 용액 속 알부민 단백질을 표면에 끌어당겨 세포가 바닥에 붙지 않게 한다.

이때 줄기세포는 스스로 뭉쳐 입체적인 덩어리인 스페로이드(Spheroid)를 형성한다.

이 과정에서 세포가 주변 환경을 감지하는 단백질 '인테그린(Integrin)'과 외부 신호를 전달하는 FAK 경로가 활성화하면서 세포 기능이 극대화한다.

연구결과 폴리-지 기반 3차원 줄기세포는 다른 조직으로 변하는 분화 능력과 면역 반응 조절 능력이 기존 방식보다 우수했다.

특히 인돌아민 2,3-이산화효소(IDO)와 프로스타글란딘 E2(PGE2) 분비가 크게 늘어 면역 조절 특성이 강해졌다.

실제 급성 대장염과 간 손상을 유도한 실험 쥐에게 투여하자 기존보다 염증을 효과적으로 억제하고 조직 손상을 줄였다.

poly-Z 배양 지방유래 줄기세포 스페로이드의 염증성 질환 동물모델 치료 효능 및 생체 내 지속성 검증. KAIST

전 교수는 “세포를 단순히 덩어리로 만드는 것을 넘어 기능을 가장 잘 발휘할 수 있는 살기 좋은 미세환경을 설계했다”며 “다양한 난치성 질환을 고치는 차세대 줄기세포 치료제 개발에 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 이노코어 AI-혁신신약연구단 서창진 박사가 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난달 31일 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 온라인판에 게재됐다.
(논문명: Polymer Matrix-Based 3D Culture Significantly Enhances the Differentiation and Immunomodulatory Functions of Human Adipose-Derived Stem Cells)