'춤추는 분자'로 연골 손상 치유

2021년 11월, 노스웨스턴 대학교 연구진은 심각한 척수 손상 후 조직을 복구하고 마비를 역전시키기 위해 빠르게 움직이는 '춤추는 분자'를 활용하는 주사 가능한 새로운 치료법을 출시했습니다.

이제 동일한 연구 그룹이 손상된 인간 연골 세포에 치료 전략을 적용했습니다. 새로운 연구에서 이 치료법은 단 4시간 이내에 연골을 재생하는 데 필요한 유전자 발현을 활성화했습니다. 그리고 단 3일 만에 인간 세포는 연골 재생에 필요한 단백질 성분을 생성했습니다.

연구진은 또한 분자 운동이 증가할수록 치료 효과도 증가한다는 사실을 발견했습니다. 즉, 분자의 "춤추는" 동작은 연골 성장 과정을 촉발하는 데 중요했습니다.

이 연구는 오늘(7월 26일)에 발표되었습니다. 미국 화학 학회지.

연구를 이끈 노스웨스턴 대학의 사무엘 I. 스튜프(Samuel I. Stupp)는 “처음 춤추는 분자의 치료 효과를 관찰했을 때 그것이 척수에만 적용되어야 하는 이유를 전혀 찾지 못했다”고 말했습니다. "이제 우리는 서로 완전히 분리된 두 가지 세포 유형, 즉 관절의 연골 세포와 뇌 및 척수의 뉴런에서 효과를 관찰합니다. 이를 통해 우리가 보편적인 현상을 발견했을 수도 있다는 확신이 더 커졌습니다. 다른 많은 조직에도 적용할 수 있습니다."

재생 나노의학 전문가인 Stupp는 노스웨스턴 대학의 재료 과학 및 공학, 화학, 의학 및 생의학 공학 이사회 교수로 재직하고 있으며 Simpson Querrey 생명나노기술 연구소와 그 부속 센터인 재생 나노의학 센터의 창립 이사입니다. Stupp은 McCormick School of Engineering, Weinberg College of Arts and Sciences 및 Feinberg School of Medicine에 재직하고 있습니다. Stupp 연구소의 대학원생인 Shelby Yuan이 이 연구의 주요 저자였습니다.

큰 문제, 해결책은 거의 없음

세계보건기구(WHO)에 따르면 2019년 현재 전 세계적으로 약 5억 3천만 명이 골관절염을 앓고 있습니다. 시간이 지남에 따라 관절 조직이 파괴되는 퇴행성 질환인 골관절염은 일반적인 건강 문제이자 장애의 주요 원인입니다.

심각한 골관절염 환자의 경우 연골이 너무 얇아져 관절이 본질적으로 쿠션 없이 뼈와 뼈 사이로 변형될 수 있습니다. 이는 엄청나게 고통스러울 뿐만 아니라 환자의 관절도 더 이상 제대로 기능하지 못합니다. 그 시점에서 유일한 효과적인 치료법은 비용이 많이 들고 침습적인 관절 치환 수술입니다.

Stupp 박사는 “현재 치료법은 질병 진행을 늦추거나 불가피한 관절 교체를 연기하는 것을 목표로 하고 있습니다.”라고 말했습니다. "인간은 성인기에 연골을 재생할 수 있는 고유한 능력을 갖고 있지 않기 때문에 재생 옵션이 없습니다."

'춤추는 분자'란 무엇인가요?

Stupp와 그의 팀은 "춤추는 분자"가 완고한 조직의 재생을 촉진할 수 있다고 가정했습니다. 이전에 Stupp의 연구실에서 발명된 춤추는 분자는 세포에 대한 강력한 신호를 갖는 수만에서 수십만 개의 분자로 구성된 합성 나노섬유를 형성하는 집합체입니다. Stupp는 화학 구조를 통해 집단적 움직임을 조정함으로써 움직이는 분자가 세포 수용체를 신속하게 찾아 적절하게 결합할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이 수용체 역시 끊임없이 움직이며 세포막에 극도로 붐비고 있습니다.

일단 신체 내부로 들어가면 나노섬유는 주변 조직의 세포외 기질을 모방합니다. 매트릭스 구조를 일치시키고 생물학적 분자의 움직임을 모방하고 수용체에 대한 생체 활성 신호를 통합함으로써 합성 물질은 세포와 통신할 수 있습니다.

"세포 수용체는 끊임없이 움직인다"고 Stupp은 말했습니다. "우리의 분자를 초분자 폴리머라고 알려진 이러한 구조에서 움직이고 '춤추게' 하거나 심지어 일시적으로 뛰어오르게 함으로써 수용체와 더욱 효과적으로 연결할 수 있습니다."

모션 문제

새로운 연구에서 Stupp와 그의 팀은 연골 형성과 유지에 중요한 특정 단백질에 대한 수용체를 조사했습니다. 이 수용체를 표적으로 삼기 위해 팀은 변환 성장 인자 베타-1(TGFb-1)이라고 불리는 단백질의 생체 활성 신호를 모방하는 새로운 원형 펩타이드를 개발했습니다.

그런 다음 연구자들은 이 펩타이드를 상호 작용하여 물 속에서 초분자 폴리머를 형성하는 두 개의 다른 분자에 통합했는데, 각각은 TGFb-1을 모방하는 동일한 능력을 가지고 있습니다. 연구진은 대형 어셈블리 내에서 분자가 더 자유롭게 움직일 수 있는 특수 구조를 가진 하나의 초분자 폴리머를 설계했습니다. 그러나 다른 초분자 고분자는 분자 운동을 제한했습니다.

Stupp은 "우리는 동작 범위가 다른 두 시스템을 비교하기 위해 구조를 수정하고 싶었습니다."라고 말했습니다. "하나의 초분자 운동 강도는 다른 하나의 운동보다 훨씬 더 큽니다."

두 폴리머 모두 TGFb-1 수용체를 활성화하는 신호를 모방했지만 빠르게 움직이는 분자를 가진 폴리머가 훨씬 더 효과적이었습니다. 어떤 면에서는 자연에서 TGFb-1 수용체를 활성화하는 단백질보다 훨씬 더 효과적이었습니다.

"3일 후, 더 많은 이동성 분자의 긴 조립체에 노출된 인간 세포는 연골 재생에 필요한 더 많은 양의 단백질 성분을 생산했습니다."라고 Stupp은 말했습니다. "콜라겐 II로 알려진 연골 기질의 구성 요소 중 하나를 생성하는 데 TGF-베타1 수용체를 활성화하는 고리형 펩타이드를 함유한 춤추는 분자는 생물학적 시스템에서 이 기능을 갖는 천연 단백질보다 훨씬 더 효과적이었습니다."

향후 계획

Stupp 팀은 현재 동물 연구에서 이러한 시스템을 테스트하고 있으며 생체 활성이 높은 치료법을 만들기 위해 추가 신호를 추가하고 있습니다.

Stupp 박사는 “인간 연골 세포에 대한 연구의 성공으로 우리는 고도로 번역된 전임상 모델에 사용될 때 연골 재생이 크게 향상될 것으로 예측합니다.”라고 말했습니다. "관절 연골조직 재생을 위한 새로운 생리활성물질로 개발해야"

Stupp의 연구실에서는 뼈를 재생하는 춤추는 분자의 능력도 테스트하고 있으며 이미 유망한 초기 결과를 얻었으며 올해 말에 발표될 것으로 보입니다. 동시에 그는 치료 물질을 발견하고 최적화하는 과정을 가속화하기 위해 인간 오가노이드의 분자를 테스트하고 있습니다.

Stupp의 팀은 또한 척수 복구 치료법을 테스트하기 위한 임상 시험 승인을 얻는 것을 목표로 식품의약국(FDA)에 대한 사례를 계속 구축하고 있습니다.

"우리는 '춤추는 분자'에 대한 이 근본적인 발견이 적용될 수 있는 조건의 엄청난 폭을 보기 시작했습니다."라고 Stupp은 말했습니다. "화학 설계를 통해 초분자 운동을 제어하는 ​​것은 다양한 재생 치료법의 효능을 높이는 강력한 도구인 것으로 보입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/07/240726193211.htm