심근세포로의 직접 리프로그래밍 과정에서 실시간 미토콘드리아 활성 분석이 가능한 나노복합체 기반 전기화학 플랫폼 개발

- 세포 리프로그래밍 과정의 대사 조절 기전 규명 및 심장 재생 치료제 개발에 기여할 것으로 기대

▲(왼쪽부터) 김태형 교수, 구경모 박사후연구원, 연세대학교 의과대학 진윤희 교수, 서승주 연구원

- 김태형 교수 연구팀과 연세대학교 의과대학 진윤희 교수 연구팀은 직접 리프로그래밍을 통해 유도된 심근세포 유사체(CiCMs)의 미토콘드리아 대사 활성을 30초 이내에 실시간·비파괴적으로 정량 분석할 수 있는 전기화학 기반 나노복합체 플랫폼(Poly-l-lysine/Matrigel double layer coated gold nanostructured composites, PMGN)을 개발했다. 특히 심장 질환은 여전히 전 세계 사망 원인 1위를 차지하고 있으며, 현재의 약물 및 수술적 치료는 주로 증상 완화에 그쳐 손상된 심근 기능을 회복하지 못한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 직접 리프로그래밍 기술은 유망한 대안이지만, 기존의 세포 기능 분석 방법들은 대부분 세포를 고정하거나 파괴해야 하며 분석 과정이 복잡하고 장시간이 소요되어 임상 적용에 어려움이 있었다.

▲[그림1] 심근세포로의 리프로그래밍 과정에서 실시간 미토콘드리아 활성 분석이 가능한 나노복합체 기반 전기화학 플랫폼 개발 연구 개요도

- 이에 연구팀은 금 나노구조 전극에 poly-L-lysine과 Matrigel을 이중 코팅함으로써, 세포 부착 안정성과 전기화학 신호 민감도를 동시에 확보한 새로운 기능성 플랫폼을 구축하였다. 해당 플랫폼은 심근세포의 직접 리프로그래밍 과정 중 일어나는 해당작용에서 산화적 인산화(OXPHOS)로의 대사 전환을 약 30초 이내에 실시간 감지할 수 있으며, 세포 손상 없이 동일 세포를 반복적으로 측정 가능하다는 점에서 기존 분석법 대비 효율성과 정밀도가 크게 향상된다. 실제로 본 기술을 통해 최대 29일간 장기 배양된 심근세포에서의 기능성 변화를 비표지/비파괴방식으로 실시간 추적을 하였으며, 독소루비신, 렘데시비르, 로시글리타존(심독성 약물) 및 리라글루타이드(비독성 약물) 등 총 4종의 약물에 대한 심독성 반응을 실시간으로 정량 평가하는 데 성공하였다.

- 이번 연구성과는 재생의학 기반 세포치료제의 기능성 평가 및 품질 관리, 나아가 심혈관계 신약 개발을 위한 심독성 예측 플랫폼으로의 폭넓은 응용 가능성을 제시하며, 세포 기반 치료 및 약물개발 분야의 실용적 전환점을 마련할 것으로 기대된다.

- Keywords: 세포 부착 고분자, 금 나노구조체, 전기화학 분석법, 직접 심근세포 리프로그래밍, 미토콘드리아 대사, 심독성 평가

- 이에 김태형 교수는 “본 전기화학 기반 미토콘드리아 활성 평가기술과 플랫폼 (PMGN platform)은 세포 기능성을 손상 없이 정량적으로 분석할 수 있어, 심장 재생 세포치료제의 품질 관리뿐만 아니라 심독성 약물 선별과 임상 적용 평가에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.”며, “특히 많은 지원을 해준 성균관대학교와 산학협력단 관계자분들께 감사드린다”고 소감을 전했다.

- 이 연구 결과는 과학기술정보통신부와 보건복지부가 지원하는 한국연구재단, 재생의료기술개발사업, 한국형 ARPA-H 프로젝트, 보건의료기술연구개발사업의 연구비 지원을 통해 수행되었으며, MATERIALS SCIENCE, COMPOSITES 분야 국제학술지 Advanced Composites and Hybrid Materials지 (IF: 23.2, 상위 1.4%)에 2025년 05월 30일에 게재되었다.

- 논문제목: In situ monitoring of mitochondrial redox dynamics during cardiac reprogramming using a poly-l-lysine/Matrigel-coated gold nanostructured composite platform