나노플라스틱에 노출되면 적혈구 생성이 감소한다는 연구결과가 발표됐다. 

의생명융합공학부 정상화 교수와 융합의과학과 오창규 교수, 의학과 및 융합의과학과 김윤학 교수 연구팀은 미세플라스틱보다 최대 5,000배 작은 나노플라스틱*인 폴리스티렌 나노입자(PSNP)가 제브라피시** 배아의 적혈구 생성 과정에 미치는 영향을 단일세포 수준에서 분석해 PSNP가 적혈구 세포 분화에 미치는 독성 기전을 규명했다. 

* 나노플라스틱: 크기가 1㎛(마이크로미터, 1mm=1,000㎛=1,000,000nm) 이하인 플라스틱으로, 미세플라스틱(5mm 이하)보다 훨씬 작다. 주요 성분에 따라 폴리스티렌(PS, 단열재·용기), 폴리에틸렌(PE, 비닐·화장품), 폴리프로필렌(PP, 병뚜껑·의료기기) 나노입자(NP·Nanoparticles)로 나뉜다.

** 제브라피시: 쉽고 빠르게 기를 수 있어 최근 동물실험에 많이 활용되는 열대민물고기. 인간과 유전자가 70% 동일하며, 90%는 해부생리학적 기능이 동일해 자연과학뿐만 아니라 의과학 동물모델로 널리 사용되고 있다.

나노플라스틱이 면역세포에 미치는 영향은 지금까지 많은 연구가 이뤄져 왔으나, 적혈구에 미치는 영향에 관한 연구는 미흡했다. 이번 연구에서는 나노입자가 혈액세포에 미치는 독성 메커니즘을 단일세포 수준에서 규명해 환경 독성 연구 및 나노물질의 생체 안전성 평가에 기여할 것으로 기대된다. 특히 폴리스티렌 나노입자는 생체 내 축적 가능성이 높으며, 혈액 순환계에 미치는 영향이 큰 것으로 추정되고 있어 연구의 중요성이 부각된다.

연구팀은 폴리스티렌 나노입자의 크기 및 물리화학적 특성을 동적 광산란(DLS) 및 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)과 투과전자현미경(TEM)으로 분석해 20nm 크기의 구형 폴리스티렌임을 확인하고, 제브라피시 모델에서 폴리스티렌 나노입자(PSNP)의 생체 내 축적 및 초기 독성 평가를 실시했다. PSNP를 실제 환경에서 노출될 수 있는 농도인 0.1~10mg/L로 조절해 제브라피시에 노출시킨 후 적혈구 형성 및 배아 생존율을 분석한 결과, 고농도(10mg/L)에서 나노입자가 배아 조직에 축적됨을 알 수 있었다.

10mg/L의 PSNP에 노출되더라도 제브라피시 배아의 생존율, 부화율, 전체적인 체형 변화 및 길이는 대조군과 유의한 차이를 보이지 않았으나, 심박수 상승이 관찰돼 나노입자가 배아의 초기 발달과정에 미세한 영향을 미칠 가능성이 제시됐다. 실제로 단일세포 전사체 서열분석*에서 PSNP 노출군의 적혈구 비율이 감소했으며, o-dianisidine 염색법으로 살펴본 제브라피시 배아에서의 적혈구 비율 또한 PSNP 노출군에서 감소했다.

* 단일세포 전사체 서열분석: 개별 세포의 유전자 발현을 분석하는 기술. 전사체(Transcriptome)는 세포 안에서 발현되는 모든 RNA의 총합을 뜻한다.

적혈구 세포군이 줄어드는 이유를 알아보기 위해 적혈구 그룹에서의 전사체 변화를 확인한 결과, 단백질 번역(translation)* 관련 유전자인 rps7(리보솜 단백질 유전자)의 발현이 감소하는 것을 관찰했다. 제브라피시 배아에서 rps7 유전자를 억제한 실험에서도 적혈구 수가 줄어들었다.

* 단백질 번역(Translation): 세포가 유전정보를 이용해 단백질을 만드는 과정.

연구팀은 적혈구 그룹을 세분화해 서브 클러스터링한 실험에서는 PSNP에 노출됐을 때 적혈구의 분화가 억제되는 것을 생명의료정보학 분석으로 검증했는데, 적혈구 전구세포(적혈구로 분화하기 전 미성숙한 세포) 단계의 비율이 증가하는 것으로 나타났다.

【폴리스티렌 나노입자가 적혈구 생성을 방해하는 기전: 실험적 접근법】

최종 산물인 적혈구의 상태가 정상인지 확인하고자 서브클러스터링을 시행해 최종 형태의 적혈구에서 산소 운반에 필수적인 분자인 헴(Heme)의 생합성 관련 유전자들이 억제되고 있음을 확인했다. 또한, 유전자 발현을 측정하는 RT-qPCR(Real-Time qPCR, 실시간 역전사 중합효소 연쇄반응)을 통해 제브라피시 배아에서 헴 합성의 주요한 효소인 alas2가 감소했고, 질량분석기를 이용한 대사체 분석 결과 제브라피시 배아에서 최종 산물인 헴의 양이 줄어드는 것을 관찰했다.

기존 연구들이 나노플라스틱 입자의 면역독성 및 신경독성에 초점을 맞춘 것과 달리, 이번 연구에서는 적혈구 분화 과정 및 헴 합성에 관한 독성을 규명했다. 앞서 수행된 환경독성학 연구들이 표현형(생존률, 부화율, 몸길이, 돌연변이율, 운동성 등)을 바탕으로 연구를 진행했다면, 이번에 부산대는 의과대학(융합의과학과)과 정보의생명공학대학(의생명융합공학부)의 융합연구를 통해 단일세포 수준에서 전사체의 변화를 바탕으로 독성 연구를 진행했다.

의생명융합공학부 정상화 교수팀은 폴리스티렌의 물성을 분석화학적 기법을 통해 동정했고, 융합의과학과김윤학 교수팀은 단일세포 전사체 서열분석으로 세포군별 유전자의 발현 차이를 발굴했다. 융합의과학과오창규 교수팀은 전체적인 연구의 방향성을 제시하고 동물실험을 통해 생명정보학적으로 연구 결과를 검증했다. 이번 연구를 위해 구축된 부산대 융합연구팀은 다양한 종류의 환경오염물질 및 신물질들이 인체 및 생명체에 미치는 영향에 관한 연구를 지속할 계획이다. 

오창규 교수는 “이번 연구는 폴리스티렌 나노입자가 적혈구 생성에 미치는 영향을 단일세포 해상도로 분석해, 나노플라스틱이 혈액학적 변화를 유발할 수 있음을 규명했다. 연구 결과, 나노플라스틱이 혈액세포 분화 과정에서 번역을 억제하고 미성숙 적혈구를 축적시켜 빈혈 등의 혈액 장애를 유발할 가능성이 있음이 밝혀졌다”고 말했다. 

이어 “단일세포 전사체 서열분석을 활용해 독성 메커니즘 규명 방식을 제시한 연구로, 향후 나노플라스틱 규제 강화 및 식품에 포함된 나노플라스틱의 안전 기준 마련에 과학적 근거를 제공하고, 나노물질의 생체 영향 평가 모델로 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 또한 공중보건 및 독성학 연구를 확장해 나노플라스틱의 장기적 건강 영향을 평가하는 기초 자료로의 활용도 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구는 기초과학연구원·한국연구재단(NRF) 지원 사업 및 부산대 박사후 연구 프로그램과 한국의학연구소 지원으로, 의생명융합공학부 정상화 교수와 융합의과학과 오창규 교수, 의학과 및 융합의과학과 김윤학 교수가 공동 교신저자, 의학연구원 소속 권은정 박사후연구원, 융합의과학과 성현미 석사과정생이 공동 제1저자로 수행했다.

해당 논문은 동물학 분야의 국제 학술지 『Zoological Research』 1월 18일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Deciphering the toxic effects of polystyrene nanoparticles on erythropoiesis at   single-cell resolution(단일세포 분석을 통한 폴리스티렌 나노입자의 적혈구 생성 독성 규명)

- 논문 링크: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39846194  

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 뒷줄 오창규 교수, 김윤학 교수, 정상화 교수, 권은정 박사후연구원, 성현미 석사과정생.

[Abstract]

Research Background and Purpose

With increasing concerns regarding nanoplastic pollution, there is an urgent need to understand its biological impacts, particularly on hematopoiesis. While previous studies have focused on immune and neural toxicity, the effects of nanoplastics on erythropoiesis (red blood cell formation) remain largely unexplored. This study investigates the toxicity of polystyrene nanoparticles (PSNPs) on erythropoiesis using single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) to provide an in-depth analysis of their impact on red blood cell differentiation and function.

Key Findings

· Characterization of Polystyrene Nanoparticles (PSNPs)

 DLS (Dynamic Light Scattering) and TEM (Transmission Electron Microscopy) confirmed that PSNPs (~20 nm) exhibited a uniform size and shape, while FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) analysis identified surface modifications and possible oxidation that may influence their bioactivity.

· Impact of PSNPs on Erythropoiesis (Single-Cell RNA Sequencing Analysis)

 PSNP exposure resulted in a decreased proportion of mature red blood cells (RBCs), and rps7, a ribosomal protein gene, showed reduced expression, indicating translation inhibition in erythroid cells.

Pseudotime trajectory analysis revealed a blockage in RBC differentiation, with immature erythrocytes failing to transition into mature RBCs, and an increased fraction of CMP-like progenitor cells, suggesting delayed differentiation.

· Validation of Erythropoietic Disruption (Functional Assays)

 O-dianisidine staining demonstrated a significant reduction in hemoglobin synthesis following PSNP exposure, while qRT-PCR and in situ hybridization confirmed increased gata1a expression, indicating erythroid immaturity and differentiation arrest, and LC-MS/MS metabolomic analysis revealed a marked decrease in heme biosynthesis with downregulation of key genes (alas2, urod, hmbs).

Significance and Impact

 This study provides the first single-cell resolution analysis of nanoplastic-induced erythropoietic toxicity, highlighting translation inhibition, differentiation failure, and heme synthesis disruption as key mechanisms. These findings emphasize the potential hazards of environmental nanoplastics on vertebrate hematopoiesis and suggest the necessity for safety evaluation in nanomaterial applications. Through collaboration among multiple research teams at Pusan National University, this study integrates advanced single-cell transcriptomics, zebrafish models, and metabolomics to comprehensively evaluate PSNP toxicity in erythropoiesis. The results provide a valuable foundation for future studies on nanotoxicity and its implications in environmental and biomedical sciences.

- Authors (Pusan National University)

· First authors: Eun Jung Kwon (Medical Research Institute), Hyeon Mi Sung (Department of Convergence Medical Sciences)

· Corresponding authors: Sanghwa Jeong (School of Biomedical Convergence Engineering), Chang-Kyu Oh (Department of Biochemistry, School of Medicine), Yun Hak Kim (Department of Anatomy, School of Medicine)

- Title of original paper: Deciphering the toxic effects of polystyrene nanoparticles on erythropoiesis at single-cell resolution

- Journal: Zoological Research

- Web link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39846194   

광메카트로닉스공학과 정세영 명예교수 연구팀은 원자 한 층의 차단막을 도입해 구리의 전기전도도는 그대로 유지한 채 고온에서의 산화를 막는 획기적인 기술을 개발했다.

ASE(Atomic Sputtering Epitaxy)법을 활용해 실리콘(Si)을 증착한 것으로, 400℃의 고온에서도 금속 표면의 산화가 억제됨을 규명했다. ‘ASE법’은 정세영 교수 연구실에서 개발한 박막 성장 기술로, 낱알경계(grain boundary)가 없는 금속 박막을 원자 한 층 수준(약 0.2nm)의 거칠기로 성장시킬 수 있다. 

일반적으로 구리는 상온에서도 산화가 유발되며, 온도가 높아질수록 산화 속도는 급격히 증가한다. 정세영 교수 연구팀은 이전 연구[Nature 603, 434 (2022)]에서 구리 표면이 원자 한 층의 계단 형태(초평탄 표면)로 이뤄져 있으면 상온에서의 산화를 방지할 수 있음을 밝혔다. 그러나 초평탄 표면을 갖는 구리 박막조차도 열을 가하게 되면 산화가 진행돼[Adv. Mater. 33, 2007345 (2021)], 산화된 두께에 따라 다양한 색상을 지니게 된다. 

이번 연구에서는 구리 표면에 물리적 흡착 상태로 상시 존재하는 산소를 표면에 고정하는 ‘고정 원소’를 도입해 산화를 방지하고자 했다. 제1원리 계산을 활용해 다양한 고정 원소 후보군들을 조사한 결과, 실리콘(Si)이 가장 적합하다는 이론적 근거를 확보했고 표면 단 한 층에서 ‘사이콕스; 실리콘(Si)-산소(O)-구리(Cu) 원소 간 강력한 결합’이 형성됨을 추가로 규명했다. 

【사이콕스층의 적용 결과 및 응용】 

a) 사이콕스 층을 형성해 고온에서 가열한 후의 저항변화 (420도까지는 저항에 큰 변화가 없음을 보여줌)   

b) 구리 호일의 경우 150도 이상에서 완전히 산화되나 사이콕스 층 형성 후 300도까지는 산화되지 않음을 보여줌

c) 폴리머 기판상에 증착해 패턴을 만든 경우에도 사이콕스 층이 형성되면 고온처리와 1,000회의 bending에도 패턴이 변화 없이 유지됨을 보여줌 

d-e) Si 층이 구리뿐 아니라 철(Fe)과 니켈(Ni) 표면에서도 적용돼 고온산화를 차단함을 보여줌. 

이론 계산을 실험으로 검증한 결과, 실리콘(Si)이 증착된 단결정 구리 표면은 400℃에서도 산화를 견뎠으며, 실리콘이 증착된 일반 구리 호일도 300℃ 근처까지 산화가 방지됐다. 나아가, 철(Fe)이나 니켈(Ni) 등의 다양한 금속에서도 고온 산화(400℃)가 억제됨을 확인했다. 

구체적으로, 연구팀은 실리콘(Si)이 ASE법에 의해 구리 표면에 원자 수준으로 뿌려지면 약한 결합을 하고 있던 구리와 산소 사이에 개입해 강한 결합의 층(Si-Cu-Ox, 사이콕스)을 형성해 고온에서의 산화를 차단함을 밝혔다.

구리의 전기 저항은 1.72 × 10^-6 Ω·cm로, 탁월한 전기 전도도를 자랑한다. 많은 사람들이 금(Au)의 전기 저항이 더 낮을 것이라 생각하지만, 실제 금의 전기 저항은 2.44 × 10^-6 Ω·cm로 구리보다 높다. 그럼에도 금이 다양한 분야에서 널리 사용되는 이유는 산화에 강하고 고온에서의 안정성이 확보되기 때문이다. 다만, 금의 높은 가격은 큰 제약으로 작용하고 있다.

구리의 표면을 화학적으로 코팅해 60℃ 정도의 산화를 억제한 기술이 2022년 『Nature』에 보고될 만큼 구리의 고온 산화는 여전히 중요한 과제로 남아 있다. 그러나 이러한 표면 코팅 방식은 전기 저항을 증가시켜 우수한 구리의 전기적 특성을 유지하지 못하는 한계를 지닌다. 또한, 재료 과학에서 발전한 합금화 기술 역시 산화 방지에는 효과적일 수 있지만, 전기 전도도를 보존하는 데는 어려움이 따른다. 이로 인해, 구리의 산화 문제를 해결하면서도 본연의 특성을 유지할 수 있는 혁신적인 대안이 필요한 상황이었다.

연구팀은 ASE법을 최초로 개발해 2차원 구리 박막을 결정립계가 없도록 성장하는 데 성공한 바 있다. 이번 연구에서도 ASE법을 적용해 구리 박막, 구리 호일, 폴리머에 증착된 구리 혹은 표면이 거친 다결정 표면 등 어떤 형태의 구리 표면이더라도 Si 입자를 매우 균일하게 도포해 사이콕스 층을 형성했다. 최상위 표면 내 형성된 원자 한 층의 막(사이콕스)은 고온에서의 산화를 효과적으로 차단하면서도 구리 본연의 전기적 특성을 그대로 유지했다.

이번 연구는 원자 한 층 두께의 차단막을 도입해 고온 산화를 효과적으로 차단하면서도 구리의 전기적 특성은 거의 그대로 유지하는 혁신적인 기술로, 향후 전극 소재 내 구리의 활용 가능성을 크게 확장할 것으로 기대된다. 

【연구진. 왼쪽부터 정세영 교수, 김수재 박사】

Si을 증착해 400℃까지의 고온 산화를 차단하는 사이콕스 층의 발명에 대한 이번 연구는 ‘An impermeable copper surface monolayer with high-temperature oxidation resistance(고온산화저항을 갖는 침투 불가한 구리 단원자층 표면)’이라는 제목으로 세계적인 재료과학 전문지인 『Nature Communications』 온라인판 2월 8일자에 게재됐다. 

- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41467-025-56709-w 

이번 연구는 삼성미래기술육성사업과 과학기술정보통신부 지원을 받아, 부산대 광메카트로닉스공학과 정세영 명예교수, 성균관대 에너지과학과 김영민 교수, 미국 미시시피주립대 물리천문학과 김성곤 교수가 공동 교신저자, 부산대 단결정연구소 김수재 박사, 성균관대 에너지과학과 김영훈 박사(현 미국 오크리지 국립연구소 박사후연구원)가 공동 제1저자로 수행했다.

정세영 광메카트로닉스공학과 교수는 “구리의 산화 문제는 재료공학과 산업계의 심각한 난제 중 하나로 여겨져 왔고 온도가 상승함에 따라 산화 문제는 더 심각해지며 해결 방안이 거의 없었는데 이번 연구의 결과로 구리를 다양한 목적으로 사용하는 재료 분야와 산업 분야에 매우 획기적인 진보가 이뤄질 것”이라고 말했다. 

* 상단 연구 이미지: 구리 표면에 단원자층으로 형성된 사이콕스(SiCuOx) 산화차단막

a) 구리표면에 형성된 사이콕스 산화차단막의 도식적 이미지 

b) 구리에 열을 가했을 때 산화차단막이 없을 경우 구리 표면의 색변화 

c) 이론적으로 계산을 통해 구리 표면을 차단하는 후보 물질을 찾는 과정 

d) 최적의 후보로 Si를 실험적으로 구리 표면에 증착했을 때 열이 가해진 뒤 색변화 (Si 증착후 400도까지의 가열에도 구리 표면에 산화가 일어나지 않음) 

그림 1a의 이미지는 구리표면에 형성된 사이콕스 산화차단막을 도식적으로 보여준다. 이러한 표면의 차단막 없이 구리 표면에 열을 가하면 그림 1b처럼 열처리 온도에 따라 색이 변한다. 이 색들은 산화된 층의 두께에 따라 달라지며 그나마 단결정 시료를 열처리했을 때 이렇게 깨끗한 색이 나타나고 일반 폴리의 경우는 얼룩덜룩한 색 변화를 보인다. 산화 차단막을 만드는 데 가장 적절한 고정원소가 무엇일지를 이론적 계산을 통해 먼저 후보군을 조사했고 그림 1c에서처럼 몇 가지 원소 군을 확보했으나 여러 이유를 통해 Si이 가장 최적 원소로 선택됐다. 그림 1d는 Si을 실제 실험적으로 적용했을 때 고온에서도 구리 표면이 원래의 색을 유지하며 표면에 산화층을 만들지 않음을 확인했음을 보여준다. 

[Abstract] 

Despite numerous efforts involving surface coating, doping, and alloying, maintaining surface stability of metal at high temperatures without compromising intrinsic properties has remained challenging. In this study, we present a pragmatic method to address the accelerated oxidation of Cu, Ni, and Fe at temperatures exceeding 200℃. Inspired by the concept that oxygen (O) itself can effectively obstruct the pathway of O infiltration, this study proposes the immobilization of O on the metal surface. Through extensive calculations  considering various elements (C, Al, Si, Ge, Ga, In, and Sn) to anchor O on Cu surfaces, Si emerges as the optimal element. The theoretical findings are validated through systematic sputtering deposition experiments. The introduction of anchoring elements to reinforce Cu–O bonds enables the formation of an atomically thin barrier on the Cu surface, rendering it impermeable to O even at high temperatures (400℃) while preserving its intrinsic conductivity. This oxidation resistance, facilitated by the impermeable atomic monolayer, opens promising opportunities for researchers and industries to overcome limitations associated with the use of oxidizable metal films.

- Authors (Pusan National University) 

 · First author: Su Jae Kim (Crystal Bank Research Institute,)

 · Corresponding author: Se-Young Jeong (Department of Optics and Mechatronics Engineering)

- Title of original paper: An impermeable copper surface monolayer with high-temperature oxidation resistance

- Journal: Nature Communications

- Web link: https://www.nature.com/articles/s41467-025-56709-w 

먹는 약으로 부작용 없이 대장암을 효과적으로 치료할 수 있는 새로운 기술이 개발됐다. 기존 항암제는 몸 전체로 퍼져 정상 세포에도 영향을 미치는 부작용이 있었지만, 이번 연구에서는 약물이 대장암 부위에만 선택적으로 전달되도록 스마트하게 설계됐다.

제약학과 유진욱 교수 연구팀은 최근 이 같은 효과적인 국소 정밀 대장암 치료 플랫폼 기술 개발에 성공해 논문을 발표했다. 경구투여 경로를 이용해 전신 분포 없이 대장암 조직으로 직접적·선택적으로 약물을 전달하는 획기적인 시스템이다. 

대장암 치료에 있어 항암화학요법이 주된 치료 방법으로 광범위하게 사용되고 있으나, 현행 치료법은 대부분의 약물이 암 조직이 아닌 정상 조직으로 분포돼 극심한 부작용을 일으키고 암 조직에는 매우 적은 약물만이 축적돼 치료 효과가 제한되는 큰 한계점이 있다. 

이번 연구에서는 이를 해결하고자 sol-gel-sol* 전환 기술과 암세포 특이적 나노복합체를 결합한 새로운 약물 전달체를 개발했으며, 암 조직으로의 선택적인 약물 분포 및 향상된 종양 성장 억제 효과를 대장암 동물 모델을 대상으로 검증했다. 

* sol-gel-sol: 특정 환경에서 약물이 고체(gel) 상태와 액체(sol) 상태를 오가는 방식. 이번 연구에서는 약물이 섭취 후 gel 상태로 보호됐다가, 대장에서 다시 sol 상태로 변해 약물이 방출되는 방식으로 활용됐다. 이를 통해 약물이 대장암 부위까지 안전하게 도달하고, 효과적으로 작용하도록 했다.

【위장관 내 sol-gel-sol 변환 및 암세포 특이적 나노복합체를 응용한 경구용 국소 대장암 표적 치료제 개발 개요】

경구투여된 약물 전달체는 위에서 산성 환경에 의해 gel 상태로 변환돼 내부에 봉입(封入)된 약물 나노복합체가 흡수 또는 분해되지 않도록 보호하며, 대장에 도달하면 pH 변화에 따라 gel 구조가 해체돼 나노복합체가 암 조직에 선택적으로 분포될 수 있도록 설계됐다. 또한, 암 조직에 분포된 후 나노복합체는 암세포 내 특정 효소 활성에 반응해 약물 방출이 촉발돼 건강한 조직에는 전혀 영향을 주지 않으면서 강력한 항암 효과를 발휘할 수 있도록 했다.

연구팀이 제안한 약물 전달 메커니즘은 항암 치료에 있어 기존 전신 투여 방식의 부작용을 획기적으로 줄이고 치료 효과를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 염증성 장 질환과 같은 대장 질환 및 마이크로바이옴(인체미생물 유전정보) 치료제 개발에도 적용 가능성이 매우 높아 다양한 대장 질환 치료를 위한 국소 정밀 치료제 개발의 새로운 지평을 열 것으로 기대된다.

유진욱 교수는 “이번 연구는 단순히 대장암 치료를 넘어, 국소 치료의 새로운 패러다임을 제시한 것”이라며 “앞으로 이 기술이 환자들의 삶의 질을 크게 개선할 수 있기를 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구 및 세종과학펠로우십 지원을 받아 제약학과 유진욱 교수가 교신저자, 이주호 박사가 제1저자로 수행했으며, 국제 학술지 『Chemical Engineering Journal』 2월 1일자에 게재됐다. 

- 논문 제목: On-site sol-gel-sol transition of alginate enables reversible shielding/deshielding of tumor cell-activated nanoconjugates for precise local colorectal cancer therapy(위장관 내 sol-gel-sol 변환 및 암세포 특이적 나노복합체를 응용한 경구용 국소 대장암 표적 치료)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158935  

* 상단 연구진 사진: 오른쪽부터 유진욱 교수, 이주호 박사.

[Abstract]

 Although local colorectal cancer (CRC) therapy can be achieved by delivering CRC-targeted nanoparticles directly to the tumor tissues within the colorectal cavity, bypassing systemic circulation through the oral administration route, physical entrapment of the nanoparticles by the small intestinal epithelium, and premature drug loss before reaching the colorectal cavity results in limited local therapeutic efficacy. To overcome these limitations, this study aimed to develop CRC cell-activated nanoconjugates (CTNCs)-in-alginate (Alg/CTNCs). After oral administration, Alg/CTNCs undergo a sol-gel transition upon exposure to gastric acid, and the alginate gel matrix effectively shields the incorporated CTNCs, preventing unwanted interactions with the intestinal epithelium and drug loss before reaching the colorectum. Upon reaching the colorectum, the elevated pH triggers a gel-sol transition in the gelated Alg/CTNCs, and the deshielded CTNCs from the alginate gel matrix show highly CRC-selective accumulation. Finally, drugs are released in response to intracellular esterase, ultimately leading to potent local antitumor effects without systemic side effects. These findings suggest that the reversible shielding/deshielding of nanomaterials during gastrointestinal tract passage, along with intratumoral environment-activated drug release strategies, enables precise local CRC therapy.

- Authors (College of Pharmacy, Pusan National University): Juho Lee (1st author), Jin-Wook Yoo (corresponding author) 

- Title of original paper: On-site sol-gel-sol transition of alginate enables reversible shielding/deshielding of tumor cell-activated nanoconjugates for precise local colorectal cancer therapy

- Journal: Chemical Engineering Journal

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158935

의학과 및 융합의과학과 김윤학 교수와 의학과 고현창·신기혁 교수 연구팀은 선형 피부질환인 선상태선(線狀苔癬, LichenStriatus·LS) 환자의 피부에서 변이된 세포들이 시간이 지남에 따라 점진적으로 감소한다는 사실을 최초로 규명했다. 피부 속의 면역 반응이 변이된 세포를 제거하면서 병변이 자연적으로 회복된 것이다. 

이번 연구에서는 병변 내 체세포 변이(somatic variants)의 변화 양상을 전장 유전체 시퀀싱(whole genome sequencing, WGS)을 통해 분석해, LS에서 변이 세포가 면역 반응으로 인해 점진적으로 제거됨을 확인했다.

‘선상태선(LS)’은 선형 패턴을 나타내는 소아 피부질환으로, 팔·다리 등 피부에 띠 모양으로 붉거나 갈색의 발진이 나타난다. 시간이 지나면서 저절로 좋아지는 경우가 많지만, 일부 환자들은 피부색이 옅어지는 염증 후 저색소증이 오랫동안 지속되기도 한다. 

연구팀은 LS 병변에서 변이 세포가 면역 반응을 통해 제거된다는 사실과 함께, 피부색이 옅어지는 ‘염증 후 저색소증(post-inflammation hypopigmentation, PIHypo)’의 유무에 따라 변이 빈도가 다르다는 점도 밝혔다. 염증 후 저색소증이 나타난 환자들의 피부에서 변이 세포가 더 적다는 것이다. 이는 각질세포(keratinocytes)와 멜라닌세포(melanocytes) 같은 피부 세포 유형별로 변이 빈도가 다를 수 있음을 시사한다. 

즉, 피부 속에서 변이된 세포가 모두 똑같이 사라지는 것이 아니라, 세포의 종류에 따라 제거되는 정도가 다를 수 있음을 의미하며, 이러한 발견은 피부질환 후 색소 변화가 왜 사람마다 다르게 나타나는지 설명하는 데 단서를 제공한다.

【선상태선 병변에서 질환 기간(A) 및 염증 후 저색소증(B)에 따른 코딩 영역* 내 단일염기변이 수의 비교】

* 코딩 영역(coding region): 유전자의 정보가 실제로 단백질로 번역되는 DNA의 부위

이번 연구는 블라쉬코 선(Blaschko’s lines)* 피부질환 치료 및 관리 방안 마련에 중요한 근거를 제공할 것으로 기대된다. LS 및 유사 선형 피부질환에서의 면역 반응과 체세포 변이의 연관성 이해를 증진하고, 염증 후 저색소증 발생의 세포 유형별 차이를 통해 임상적 관리 전략 개발에 기여할 전망이다.

* 블라쉬코 선(Blaschko’s lines): 피부 발생 과정에서 세포의 이동 경로를 따라 형성되며, 정상 피부에서는 보이지 않지만 특정 피부 질환에서 드러나는 특징적인 줄무늬 형태의 선

또한, 이번 연구는 선상태선뿐만 아니라 다른 선형 피부질환에서도 면역 반응이 변이 세포를 제거하는 방식이 적용될 가능성을 열었다. 이를 바탕으로 피부질환의 진행 과정을 예측하고, 장기간 지속되는 피부 색소 변화에 대한 맞춤형 치료법을 개발하는 데에도 도움을 줄 것으로 기대된다.

해당 논문은 ‘Time-dependent reduction of somatic variants in lichen striatus as evidence for the clearance of mutated skin cells(선상태선에서 체세포 변이의 시간 의존적 감소: 변이된 피부 세포 제거의 증거)’라는 제목으로 국제 학술지 『Journal of the American Academy of Dermatology』 1월 31자에 게재됐다.

- 논문 링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0190962225001628  

- DOI: https://doi.org/10.1016/j.jaad.2025.01.074 

이번 연구는 의과대학 의학과 및 융합의과학과 해부학교실 김윤학 교수와 의학과 피부과학교실 고현창 교수가 교신저자, 의학과 피부과학전공 이병혁 박사과정생, 유전체데이터과학전공 임동민 박사과정생, 의학과 피부과학교실 신기혁 교수가 공동 제1저자로 수행했다.

* 상단 인물 사진: 왼쪽부터 앞줄 고현창 교수, 김윤학 교수, 뒷줄 이병혁 박사과정생, 신기혁 교수, 임동민 박사과정생.

[Abstract]

Blaschko’s lines represent pathways of skin cell migration during early development and are visible in skin conditions such as lichen striatus (LS). LS is a temporary inflammatory skin disorder primarily affecting children and can sometimes leave behind lighter skin areas known as post-inflammatory hypopigmentation (PIHypo). However, the mechanism behind the natural healing of these skin lesions is not fully understood. In our study, we performed whole-genome sequencing to analyze genetic changes, known as somatic variants, within LS skin lesions. We identified that the number of genetic mutations significantly decreased as lesions healed over time. Patients who developed PIHypo had fewer genetic mutations compared to those who did not, suggesting that the body's immune system gradually clears away mutated skin cells, aiding in natural healing. Our findings provide clear evidence that LS lesions resolve due to immune system activity, offering important insights into the healing process of this skin condition.

- Authors (Pusan National University)

1) Byunghyuk Lee# (Department of Dermatology, College of Medicine)

2) Dong Min Lim# (Interdisciplinary Program of Genomic Data Science)

3) Kihyuk Shin# (Department of Dermatology, College of Medicine)

4) Hyun-Chang Ko* (Department of Dermatology, College of Medicine)

5) Yun Hak Kim* (Department of Anatomy and Department of Biomedical Informatics)

#Byunghyuk Lee, Dong Min Lim, and Kihyuk Shin contributed equally to this work as first authors

*Corresponding authors

- Title of original paper: Time-dependent reduction of somatic variants in lichen striatus as evidence for the clearance of mutated skin cells

- Journal: Journal of the American Academy of Dermatology

- Web link: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0190962225001628  

- DOI: https://doi.org/10.1016/j.jaad.2025.01.074

AI(인공지능)가 다양한 분야에 적용되면서, 질병 연관 유전자 발굴에도 AI가 활용되고 있다. 기존 AI 시스템에서는 단순히 특정 유전자의 질병 연관성만을 예측하는 데 그친 반면, 이번에 정보컴퓨터공학부 송길태 교수 연구팀이 유전자의 질병 연관성 예측과 동시에 해당 유전자가 질병 치료 타깃 또는 생체 지표 유전자로서 기능할 수 있는지 여부를 예측하는 AI 시스템 개발에 성공했다. AI를 통해 환자별 유전자 맞춤 치료를 제공하는 정밀 의료 시대가 앞당겨질 것이라는 기대도 커지고 있다. 

송길태 교수팀은 부산대병원 순환기내과 이혜원 교수팀과의 공동연구를 통해, 질병에 대한 유전자의 치료적 유전자 타깃 및 생체 지표 유전자 여부를 예측하고 결과에 대해 충분한 설명을 제공하는 AI 시스템을 개발했다.  

질병은 개인이 가진 여러 유전적 요소들의 복합적 상호작용으로 발생한다. 연구팀은 이 같은 상호작용을 반영해 어떤 유전자의 치료적 유전자 또는 생체 지표 유전자로서의 가능성을 예측하는 AI 시스템을 제안했다. 이 시스템은 하이퍼그래프(Hypergraph)* 및 어텐션(Attention)** 메커니즘을 사용해 질병에 관여하는 여러 생물학적 요소들 사이 복합적 상호작용을 모델링하고, 어텐션 연산 결과 시각화를 통해 모델 예측 결과에 대한 설명도 제공한다. 

* 하이퍼그래프(Hypergraph): 네트워크(Network) 형태 데이터의 일종으로 노드와 하이퍼엣지의 집합으로 정의되고, 각 하이퍼엣지는 2개 이상 노드를 동시에 연결하고 이들 사이 복합적, 공통적 상호작용을 포착한다. 

** 어텐션(Attention): 최신 인공지능(딥러닝) 모델들에서 널리 쓰이는 계산 알고리즘의 일종으로, 인간의 ‘주의 집중’을 모방해 인공지능 모델이 중요한 정보에 좀 더 집중하고, 덜 중요한 정보는 상대적으로 덜 집중하도록 만드는 정보 연산 알고리즘이다. 모델의 어텐션 메커니즘 연산 결과를 시각화 하면 모델이 특정한 의사결정을 내리는 데 있어 어떤 정보를 좀 더 중요하게 반영했는지 알 수 있다. 

연구팀은 DisGeNET을 비롯한, 생물학 전문가들에 의해 큐레이션 된 오픈소스 데이터베이스로부터 유전자, 유전자 온톨로지(ontology, 언어로 표현된 개념 간 연관 관계 지식이 드러나는 망), 질병, 질병 온톨로지, 그리고 인간 표현형 온톨로지 사이 관계 데이터를 얻어 개발한 AI 시스템을 검증했다. 

【연구 개념도】

송길태 교수는 “이번 연구는 기존 연구들이 질병과 유전자 사이 연관성 여부만 단순 예측했던 것에서 한 발 더 나아가, 특정한 유전자의 치료적 유전자 및 생체 지표 유전자로서 가능성을 정밀 예측하는 실전적 AI 시스템을 개발했다는 데 큰 의미가 있다”며 “제안 AI 시스템을 활용하면 단시간 내 특정 질병에 대한 치료적 유전자 후보군을 발굴하고, 이를 기반으로 질병 유발 유전자에 직접 작용해 질병의 근본 원인을 제거하는 정밀 의료 실현에 한 걸음 다가갈 수 있을 것”이라고 설명했다.  

연구팀은 해당 AI 시스템에 대한 특허를 국내 출원 완료했고, 부산대 산학협력단의 지원을 받아 미국 특허 출원도 진행 중이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구실 및 중견연구 사업과 정보통신기획평가원이 지원하는 인공지능융합혁신인재양성사업의 지원을 받았으며, 정보컴퓨터공학부 송길태 교수가 교신저자, 대학원 AI전공 김기범 박사과정 연구원이 제1저자, 부산대병원 이혜원 교수가 공동저자로 수행했다. 

질병과 유전자 사이 연관관계 예측에 대한 기존 AI 시스템의 한계를 극복할 것으로 전망되는 이번 연구 성과는 영국 옥스퍼드대가 발간하는 국제 학술지 『Briefings in Bioinformatics』 1월 22일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Therapeutic gene target prediction using novel deep hypergraph representation learning 

- 논문 링크: https://doi.org/10.1093/bib/bbaf019 

* 상단 인물 사진: 왼쪽부터 김기범 연구원, 송길태 교수.

[Abstract]

As AI continues to advance across various fields, its application in identifying disease-related genes is expanding. While traditional AI systems only predicted gene-disease associations, a research team at Pusan National University has developed an AI system that also determines whether a gene can serve as a therapeutic target or biomarker. This breakthrough is expected to accelerate precision medicine by enabling gene-based treatments tailored to individual patients.

Led by Professor Giltae Song in collaboration with Professor Hyewon Lee’s team at Pusan National University Hospital, the system uses hypergraph structures and attention mechanisms to analyze complex biological interactions and provide interpretable results. Validated through curated open-source biological databases like DisGeNET, the model enhances the accuracy of identifying therapeutic gene candidates.

Professor Song emphasized that this research surpasses conventional methods by refining gene predictions, ultimately facilitating faster drug development and targeted treatments. The first author of the study, Kibeom Kim, a Ph.D candidate researcher in AI and a student of Professor Song, played a key role in its development. The team has filed a domestic patent and is pursuing a U.S. patent with university support. The study, backed by major Korean research institutions, was published in Briefings in Bioinformatics on January 22, marking a significant step in AI-driven medical innovation.

- Authors (Pusan National University)

 · First author: Kibeom Kim (Division of Artificial Intelligence)

 · Corresponding author: Giltae Song (Department of Electrical and Computer Engineering)

- Title of original paper: Therapeutic gene target prediction using novel deep hypergraph representation learning

- Journal: Briefings in Bioinformatics

- DOI: https://doi.org/10.1093/bib/bbaf019

화학과 최정모(사진) 교수팀이 생체분자 응축제 연구에 활용할 수 있는 단순한 화학 모델 시스템 개발에 성공했다. 

‘생체분자 응축체(biomolecular condensate)’는 세포 내에서 특정 생체분자가 국소적으로 조밀하게 분포하는 덩어리다. 신호 전달, 스트레스 반응, 유전자 발현 조절 등 다양한 생물학적 기능을 수행해 최근 신약 개발 및 질병 연구에서 중요한 주제로 부각되고 있다.

생체분자 응축체는 세포 내에서 생체분자들이 자발적으로 모여 형성되며, 다양한 종류가 알려져 있다. 세포가 스트레스를 받을 때 mRNA(메신저 리보핵산)와 단백질이 모여 일시적으로 단백질 합성을 조절하는 구조체인 ‘스트레스 과립(Stress granules)’이나 mRNA를 분해·저장하는 세포질 내 구조체인 ‘P-바디(P-bodies)’, 단백질 합성 장치인 리보솜을 만드는 ‘인(Nucleolus)’ 등이 모두 생체분자 응축제에 해당한다.

이들은 세포 내에서 여러 가지 기능을 수행할 수 있으며, 특히 생체분자의 국소적 농도가 높아지면서 효소 활성 등이 비약적으로 증대될 수 있다. 이에 따라 생체분자 응축체의 형성 원리를 탐구해 새로운 생체 촉매 플랫폼을 설계하려는 연구가 세계적으로 널리 시도되고 있다.

생체분자 응축체의 형성과 소멸은 기본적으로 ‘생체분자-생체분자’ 상호작용과 ‘생체분자-용매’ 상호작용의 경쟁에 의해 결정된다. 이번 연구에서는 이 두 가지 요소를 포함하는 가장 작은 모델 시스템을 만드는 데 성공했다. 

연구팀은 간단한 화학 물질로 생체분자 응축제 모방에 나섰다. 세포 속 응축제와 비슷한 현상을 실험실에서 쉽게 구현할 수 있는 단순한 화학 시스템으로, ‘Fmoc’라는 특수한 화학 작용기를 결합시킨 아미노산을 사용했다. 

* Fmoc(fluorenylmethoxycarbonyl) 작용기: 소수성을 띠고 있는 여러 고리 작용기로, 단백질의 말단을 보호하기 위한 용도로 활용된다.

이 화학 물질은, Fmoc 작용기는 물을 싫어해(소수성) 스스로 뭉치는 반면, 아미노산의 뼈대 부분은 물을 좋아하는 성질(친수성)을 갖고 있어 생체분자-용매 상호작용에 참여할 수 있다. 연구팀은 아미노산의 구조를 조금씩 바꾸며 어떤 조건에서 가장 잘 뭉치는지를 실험했다.

아미노산의 곁사슬을 변화시키면서 분자의 소수성 정도를 세밀하게 변화시킬 수 있었는데, 다양한 곁사슬을 도입해 생체분자 응축체가 시험관 내에서 형성되는지, 형성된다면 안정적으로 그 상태가 유지되는지를 살폈다. 그리고 이 모델 시스템을 이용해 실제로 포집된 분자의 촉매 활성이 증가함을 확인했다.

【액체-액체 상 분리를 만들어낼 수 있는 아미노산 유도체의 구조와 사용 가능한 곁사슬의 종류 및 액체-액체 상 분리 과정을 그린 모식도】 

이번 연구는 부산대와 경희대 연구팀이 공동으로 수행했다. 경희대는 실험적 검증을, 부산대는 모델링을 담당했다. 부산대 연구팀은 분자동역학 시뮬레이션* 기법을 활용해 모델 분자가 응축체를 형성하는 화학적 기작을 분석했다. 특히 분자의 소수성 정도가 증가함에 따라 응축체 형성 경향성이 높아지는 것을 정량적으로 확인했으며, 이를 통해 이 모델 시스템에서는 소수성 상호작용이 응축체 형성의 주된 메커니즘임을 증명했다.

* 분자동역학(molecular dynamics) 시뮬레이션: 각 원자를 공처럼, 결합을 용수철처럼 취급하고 원자들이 주고받는 상호작용을 고려해 이들의 움직임을 시간에 따라 추적해 나가는 컴퓨터 시뮬레이션 기법.

생체분자 응축체의 형성 원리는 세포의 기능을 분자 차원에서 이해하는 데 반드시 필요한 개념이다. 이번 연구를 통해 생체분자 응축제의 형성 원리와 이렇게 만들어진 응축제 안에서 화학반응이 활발해지는 것을 확인했다. 

최정모 교수는 “이번에 개발한 모델 시스템은 화학적으로 변화시키기 매우 용이하기 때문에 다양한 상호작용을 도입할 수 있고, 이를 이용해 생체분자 응축체의 형성 원리를 보다 깊이 있게 탐구할 수 있다. 이는 생명체의 기능에 밀접하게 연결돼 있으므로, 여기서 얻은 지식을 질병 치료 등에 활용할 수 있을 것”이라고 기대했다. 

또한 이 시스템을 이용해 친수성 용매 내에 소수성 방울을 만들어 친수성 용매와 소수성 용매를 모두 필요로 하는 유기화학 반응 등도 진행할 수 있어 합성화학의 새로운 방법론으로의 응용도 전망된다.

한편, 이번 연구는 국제 학술지 『Biomacromolecules』 1월 26일자 온라인판에 게재됐다. 

- 논문 제목: A Single Amino Acid Model for Hydrophobically Driven Liquid-Liquid Phase Separation(소수성 상호작용으로 추동되는 액체-액체 상 분리를 위한 단일 아미노산 모형)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.4c01410 

해당 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업 지원을 받았다. 

[Abstract]

The study presents a minimalistic model for liquid-liquid phase separation (LLPS) using fluorenylmethoxycarbonyl (Fmoc)-protected single amino acids (Fmoc-AAs). The authors systematically investigate how different Fmoc-AAs undergo LLPS based on hydrophobic interactions, pH, and ionic strength. Their findings highlight residue-dependent variations in critical concentrations and phase behavior, demonstrating that hydrophobic interactions predominantly drive phase separation. Furthermore, they explore the transition from liquid condensates to solid aggregates, revealing that this transformation may be governed by mechanisms distinct from LLPS. These insights contribute to the understanding of biomolecular condensation and its implications in cellular organization and protein aggregation diseases.

The researchers also analyze how environmental factors such as salt concentration, pH, and temperature affect the stability and behavior of Fmoc-AA condensates. Notably, the study shows that mixing different Fmoc-AAs, including enantiomers, significantly enhances the stability of condensates by disrupting molecular stacking, thereby preventing rapid aggregation. This suggests that phase separation and subsequent fibrillization are controlled by different molecular interactions. Additionally, molecular dynamics simulations corroborate these experimental observations, further elucidating the role of hydrophobicity in the condensation process.

Beyond fundamental insights, the study explores potential applications of Fmoc-AA condensates in mimicking cellular environments. The authors demonstrate that these condensates can selectively accommodate biomolecules and facilitate chemical reactions, highlighting their potential as artificial cells or catalytic microreactors. The enhanced reaction rates within the condensates suggest that they provide a unique microenvironment for biochemical transformations. Overall, this research advances our understanding of phase separation and protein aggregation, offering a versatile model system with applications in synthetic biology and material science.

- Author (Pusan National University): Jeong-Mo Choi (Department of Chemistry)

- Title of original paper: A Single Amino Acid Model for Hydrophobically Driven Liquid-Liquid Phase Separation

- Journal: Biomacromolecules

- Web Link: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.4c01410  

지방 조직이 내분비 기관으로 인식되면서 면역 반응과 조직 재생에 중요한 역할을 한다는 연구가 증가하고 있지만, 구조와 기능을 생체처럼 재현하는 것이 어려워 재생의학에서 활용이 제한적이었다. 의생명융합공학부 김병수 교수 연구팀이 최근 3D 바이오프린팅 기술을 활용한 내분비성 지방 조직 조립을 통해 피부 재생을 촉진하는 기술을 개발해 조직 재생과 상처 치료 분야에서 새로운 가능성을 제시했다.

이번 연구에서는 지방 조직의 내분비 기능을 유지하면서도 다양한 조직과의 통합을 가능하게 하는 신속한 조직 조립 기술을 개발했으며, 이를 통해 지방 조직이 피부 조직과 효과적으로 결합해 상처 치유를 촉진함을 확인했다.

지방 조직의 내분비 기능을 활용한 조직 재생 연구의 새로운 패러다임을 제시한 이번 연구는 생체재료 및 조직공학 분야에서 세계적으로 인정받는 국제학술지 『Advanced Functional Materials』 2월 2일자에 게재됐다.

- 논문 제목: 3D Bioprinting-Assisted Tissue Assembly of Endocrine Adipose Units for Enhanced Skin Regeneration (3D 바이오프린팅을 활용한 내분비 지방 조직 유닛의 조립 및 피부 재생 촉진)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202419680 

지방 조직은 단순한 에너지 저장소를 넘어 다양한 생리활성을 조절하는 내분비 기관으로서의 역할이 주목받고 있다. 내분비란, 체내에서 생성된 호르몬을 도관(導管)을 거치지 않고 직접 혈액 속으로 보내는 작용을 말한다.

지방 세포는 여러 사이토카인(면역세포가 분비하는 단백질 신호물질)을 분비해 주변 조직과 상호작용하며, 이러한 내분비 기능은 대사 항상성과 조직 재생에 중요한 영향을 미친다. 하지만 기존 조직공학 기술로는 지방 조직의 구조와 기능을 효과적으로 재현하는 데 한계가 있었다. 특히, 지방 조직은 피부 및 근육과의 상호작용을 통해 조직 항상성과 재생을 조절하는데, 이를 반영한 조직 제작 기술이 부족해 재생의학에서 활용이 제한적이었다​.

이에 연구팀은 지방 조직의 내분비 기능을 유지하면서도 다양한 조직과 결합할 수 있는 조립 기술을 개발하고, 이를 활용해 피부 재생을 촉진하는 연구를 진행했다. 

지방 조직과 피부 조직의 통합이 중요하다는 점에서, 연구팀은 지방 조직을 레고 블록과 유사한 모듈 단위로 제작해 피부 진피층과 결합하는 방식을 도입했다.

지방 조직의 높은 세포 밀도를 유지하고 기능성을 극대화하기 위해 내장형 3D 바이오프린팅(embedded 3D bioprinting) 기법을 적용해 지방 조직 단위를 안정적으로 형성할 수 있는 최적의 바이오잉크 조성과 프린팅 조건을 설정했다. 이를 위해 유변학적 분석과 유체역학적 시뮬레이션을 수행해 바이오잉크의 점탄성을 최적화했다. 

지방 조직 단위 내 세포가 효과적으로 성숙할 수 있도록 알지네이트(alginate)를 포함한 하이브리드 바이오잉크를 개발했다. 기존의 AdECM* 바이오잉크만 사용할 경우, 지방 전구세포가 주변 배지로 이동하면서 밀집된 세포 환경이 유지되지 않는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 세포 부착 특성이 낮은 알지네이트를 AdECM 바이오잉크에 첨가해 세포 이동을 제한했다. 

* AdECM(지방 유래 탈세포화 ECM): AdECM은 지방 조직의 자연적인 환경을 모방해 지방세포의 성숙과 내분비 기능을 극대화하는 중요한 바이오잉크의 주재료임.

그 결과, 0.5% 알지네이트를 포함한 하이브리드 바이오잉크에서 지방 세포의 밀집도가 가장 높고, 지방 세포의 성숙을 촉진하는 유전자의 발현이 증가하는 것을 확인했다.

이어 연구팀은 하이브리드 바이오잉크를 기반으로 지방 단위(adipose unit)의 최적 크기를 설정했다. 실험 결과, 900 ㎛(마이크로미터, 100만분의 1미터) 이상의 크기에서는 지방 단위 내부에 저산소(hypoxia) 환경이 형성돼 기능성이 저하됨을 확인했으며, 600 ㎛ 에서 지방 세포의 생존 및 성숙이 최적화됨을 밝혔다. 

또한, 지방 단위 간의 상호작용을 극대화해 내분비 기능을 강화하기 위해 간격을 조정하는 실험을 수행해, 1,000 ㎛ 이하에서 세포 간 신호 전달 및 성숙도가 가장 높은 것으로 파악됐다.

지방 단위가 피부 재생에 미치는 영향을 평가하기 위해서는 3D 프린팅 기반 맞춤형 상처 치유 플랫폼(wound scratch assay platform)을 제작했다. 이에 따르면, 지방 단위가 포함된 환경에서 피부 세포(섬유아세포 및 각질형성세포)의 이동 속도가 증가해 16시간 내 80% 이상의 상처 폐쇄율을 기록했으며, 특히 지방 단위 간 간격이 1,000 ㎛일 때 가장 높은 세포 이동성을 보였다.

【3D 바이오프린팅 기반 지방 조직 모듈 조립체를 활용한 피부 재생 촉진】

A: 다용도 PCL 프레임워크 내에서 지방 모듈의 바이오패브리케이션 과정 개략도

B: 피부 재생을 위한 레고 형태 조직 조립체의 생체 내 평가 개략도

C: PCL 프레임워크에 지방 모듈과 진피 모듈을 결합해 조직 조립체를 구성하는 과정

D: 지방 조직의 내분비 기능 여부에 따른 재생 촉진 효과 평가

누드 마우스(nude mouse) 모델을 이용해 지방 단위가 포함된 모듈을 피부 손상 부위에 이식한 결과, 상처 부위의 혈관 형성이 증가하고 표피 재생이 촉진됨을 확인했다. 레이저 도플러 혈류 이미징(LDPI) 분석에서 혈관 생성이 증가해 혈류 공급이 원활하게 이뤄짐을 증명했으며, 면역조직화학 분석에서 혈관 생성 마커(CD31) 및 표피 형성 마커(K10, involucrin)의 발현이 증가해 피부 재생이 활성화됨을 입증했다.

연구팀은 이번 연구를 통해 내분비 기능을 갖춘 지방 조직을 3D 바이오프린팅을 이용해 제작하고, 이를 피부 조직과 정밀하게 결합하는 어셈블리 전략이 기존 조직 공학적 접근법보다 더 빠르고 효율적인 재생 효과를 제공할 수 있음을 밝혔다. 특히, 모듈형(polycaprolactone, PCL) 프레임워크를 활용한 정밀한 조직 어셈블리 기술을 적용해 지방 조직과 피부 조직을 효과적으로 결합하고, 생체 내 환경에서 안정적인 구조를 유지할 수 있도록 설계했다. 

또한, PCL 프레임워크의 조립식(Lego-like) 디자인을 통해 다양한 조직 모듈을 유연하게 조합할 수 있어, 지방 조직뿐만 아니라 혈관 조직, 피부 조직 등과의 결합이 용이하며, 맞춤형 복합 조직 제작이 가능하다는 점에서 기존 바이오프린팅 방식과 차별성을 가진다. 이러한 정밀 어셈블리 시스템을 통해 조직 간 신호 전달을 극대화하고, 지방 조직의 내분비 기능을 유지하면서도 피부 재생을 촉진하는 효과적인 조직 통합이 가능함을 증명했다.

김병수 교수는 “이번 연구는 지방 조직의 내분비 기능을 활용해 피부 재생을 촉진할 수 있는 혁신적인 3D 바이오프린팅 기술을 개발했다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “이 기술이 조직 공학 및 재생의학 분야에서 지방 조직뿐만 아니라 다기능성 인공 조직 제작을 위한 새로운 가능성을 제시할 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 의생명융합공학부 김병수 교수가 교신저자, 정보융합공학과 의생명융합전공 이재성 석박통합과정생과 의학연구원 안민준 박사가 공동 제1저자로 수행됐다.

해당 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 수행된 한국연구재단 우수신진연구사업, 선도연구센터 및 산업통상자원부 알키미스트 프로젝트 지원을 받았다​.

* 상단 인물 사진: 왼쪽부터 김병수 교수, 이재성 석박사통합과정생, 안민준 박사.

[Abstract]

Endocrine Function of Adipose Tissue and Tissue Regeneration

Adipose tissue is not merely an energy storage site but also an endocrine organ that secretes hormones and cytokines, playing a crucial role in metabolic homeostasis and tissue regeneration. However, existing tissue engineering technologies have struggled to effectively replicate the structure and function of adipose tissue. To overcome these limitations, the research team developed a novel assembly technique that preserves the endocrine function of adipose tissue while allowing integration with skin tissue.

Embedded 3D Bioprinting and Optimized Bioink

The research team applied an embedded 3D bioprinting technique to stably fabricate adipose tissue units. To achieve this, rheological analysis and computational fluid dynamics simulations were conducted to optimize the viscoelastic properties of the bioink.

Additionally, a hybrid bioink containing alginate was developed to limit cell migration and promote adipocyte maturation in a densely packed environment. Experimental results showed that bioink containing 0.5% alginate resulted in the highest cell density and significantly increased the expression of genes promoting adipocyte maturation.

Optimization of Adipose Tissue Size and Spacing

The research team determined that a tissue unit size of 600 μm provides the highest cell viability and maturation. Moreover, when the spacing between adipose units was less than 1,000 μm, endocrine signal transmission was maximized.

Based on these findings, a customized wound healing platform using 3D printing was developed to evaluate skin cell motility. Experimental results showed that the presence of adipose units significantly increased skin cell migration, achieving over 80% wound closure within 16 hours, with the highest migration observed at a spacing of 1,000 μm between adipose units.

Verification of Skin Regeneration Effects Through Animal Studies

To assess the regenerative effects of the adipose tissue modules, the research team implanted the modules into a nude mouse model with skin injuries. The results showed increased vascularization and enhanced epidermal regeneration. Laser Doppler perfusion imaging (LDPI) analysis confirmed improved blood supply, while immunohistochemical analysis demonstrated increased expression of CD31, K10, and involucrin, markers associated with skin regeneration.

Future Research Directions

This study presents a precise tissue assembly technique for fabricating composite adipose-skin tissues. The approach is distinguishable from conventional bioprinting methods, as it allows for the flexible integration of multiple tissue modules, including vascular and skin tissues.

- Authors (Pusan National University)

 · First author: Byoung Soo Kim (School of Biomedical Convergence Engineering)

 · Corresponding authors: Jae-Seong Lee (Department of Biomedical Convergence Engineering), Minjun Ahn (Medical Research Institute)

- Title of original paper: 3D Bioprinting-Assisted Tissue Assembly of Endocrine Adipose Units for Enhanced Skin Regeneration

- Journal: Advanced Functional Materials

- Web link: https://doi.org/10.1002/adfm.202419680 

- DOI: 10.1002/adfm.202419680

응용화학공학부 안석균 교수 연구팀이 온도에 따라 접착력을 온·오프할 수 있는 스마트 감압성 점착제 개발에 성공했다.

‘감압성 점착제’는 압력만으로 접착을 형성하는 비반응성 접착제로, 라벨, 포스트잇 등과 같은 일상적인 접착 제품뿐만 아니라 반도체 및 디스플레이용 보호 필름 등 첨단 기술 분야에도 널리 활용된다. 

특히, ‘고기능성 점착제’는 기판의 재활용성과 사용자의 편리성을 고려해 반복적인 접착과 탈착이 가능하거나, 특정 조건에서 접착력을 변화시키는 기능을 갖추는 것이 필수적이다. 

그러나 기존 고기능성 점착제는 화학적 기능성을 부여하거나 표면 지형(topography)을 변화시켜 접착력을 조절하는 방식이었으며, 이는 복잡한 공정과 처리과정을 요구하는 단점이 있었다. 또한, 반복사용에 따라 접착력이 약해지거나 불규칙하게 변동하는 한계도 존재했다.

이를 해결하기 위해, 최근 학계에서는 액정 탄성체* 기반 감압성 점착제 연구에 주목하고 있다. 액정 탄성체는 외부 충격 시 액정 분자들이 회전할 수 있는 특성 덕분에 우수한 댐핑(damping)** 효과를 나타낼 수 있으며, 이러한 댐핑특성은 접착 성능과 밀접한 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 기존 연구는 공유 결합***으로 연결된 가교점으로 구성된 액정 탄성체에만 초점이 맞춰져 있었으며, 이로 인해 접착력 향상에 근본적인 한계를 초래했다.

* 액정 탄성체: 액정 분자가 유연한 고분자 사슬에 결합한 뒤 약한 가교결합을 하고 있는 고분자로, 외부 자극에 따라 형태와 물성을 변화시킬 수 있는 스마트 소재.

** 댐핑: 진동이나 충격 에너지를 흡수하거나 소멸시키는 재료의 특성을 의미하며, 고분자의 경우 유리전이온도에 접근할 때 극대화되는 경향이 있음. 

*** 공유 결합: 분자들이 전자쌍을 공유해 형성하는 강한 화학결합으로, 고분자 내 고정된 가교점을 형성함.

이에 연구팀은 액정 탄성체에 ‘폴리로탁산’이라는 물질을 가교제로 도입해 새로운 개념의 액정 탄성체를 최초로 개발했다. 폴리로탁산은 고리 형태의 분자로 구성된 초분자(supramolecule) 물질로, 외부 힘이 가해지면 고리 분자가 사슬을 따라 이동하며 힘을 분산시키는 독특한 특성을 가진다. 이러한 움직임은 가교점에서 발생하는 응력 집중을 효과적으로 완화하고, 점착제 내부에서 에너지를 효율적으로 소산시키는 역할을 한다. 

결과적으로, 이러한 동적 가교점이 도입된 폴리로탁산 액정 탄성체는 외부 힘을 받았을 때 가교점이 자유롭게 움직일 수 있는 구조적 특성 덕분에, 기존 액정 탄성체보다 뛰어난 댐핑 효과를 발휘한다. 연구팀이 개발한 점착제는 이러한 특성을 바탕으로 상온에서 기존 액정 탄성체 대비 3.5배, 기존 상용 점착제 대비 13배 우수한 접착강도를 구현했다.

【액정 탄성체의 분자 구조 모식도, 점착제 특성 비교 사진 및 온도에 따른 가변 접착력 시연】

(a) 기존 액정 탄성체와 슬라이딩 가교 기반 액정 탄성체의 분자구조 모식도

(b) 기존 액정 탄성체와 슬라이딩 가교 기반 액정 탄성체의 점착력(probe tack) 비교

(c) 온도 증가에 따라 탈착이 가능해지는 가변 접착력 시연

또한, 액정 탄성체의 온도에 따른 상전이 변화를 활용해 접착력을 가역적으로 조절할 수 있는 혁신적인 방법을 제시했다. 연구팀은 상온에서 약 2kg의 아령을 지탱할 수 있는 접착력을 제공하며, 고온(100℃)에서는 접착력이 0으로 감소해 기판에서 완벽하게 탈착할 수 있음을 확인했다. 이러한 특성 덕분에 점착제는 반복사용에도 안정적인 접착 성능을 유지할 수 있었다. 

연구책임을 맡은 안석균 교수는 “이번 연구를 통해 개발한 댐핑기반 액정 탄성체 점착제는 기존 상용 점착제를 뛰어넘는 접착 성능을 제공할 뿐만 아니라, 외부자극에 의해 접착력을 가역적으로 변경할 수 있다는 점에서 혁신적”이라고 설명했다. 

이어 “이러한 특성 덕분에 액정 탄성체는 차세대 점착제 기술의 유망한 후보물질로 자리잡을 수 있으며, 특히 반도체 제조 및 디스플레이 공정처럼 접착과 탈착이 반복적으로 요구되는 첨단 산업 분야에서의 응용 가능성을 크게 열어줄 것“이라고 덧붙였다.

해당 연구 성과는 소재 분야의 세계적인 학술지 『어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)』 1월 15일자에 게재됐다.

- 논문 제목: 폴리로탁산이 도입된 액정 탄성체의 극한 내부 댐핑을 활용한 감압성 점착제 개발 (Harnessing Extreme Internal Damping in Polyrotaxane-Incorporated Liquid Crystal Elastomers for Pressure-Sensitive Adhesives)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202413824

- DOI: 10.1002/adfm.202413824

이번 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단 중견연구자지원사업과 나노소재기술개발사업의 지원을 받아, 응용화학공학부 석박사통합과정의 최수비 연구원(제1저자)과 연구책임자인 안석균 교수(교신저자)의 주도 하에 진행됐으며, 고려대 신소재공학부 서지훈 교수 연구팀, 영국 캠브리지 대학의 Mohand Saed 박사 및 Eugene Terentjev 교수 연구팀과의 공동연구로 수행됐다.

* 상단 인물 사진: 왼쪽부터 최수비 연구원, 안석균 교수.

[Abstract]

Liquid crystal elastomers (LCEs) exhibit extraordinary energy dissipation due to their unique viscoelastic response, resulting from the rotation of mesogens under mechanical stress. While recent studies demonstrate the LCE-based pressure-sensitive adhesives (PSAs) by exploiting the enhanced damping, all previous studies have focused on LCEs with covalent crosslinks. Here, a new class of PSAs is developed by integrating movable polyrotaxane crosslinkers into an LCE matrix (PRx-LCEs). Dynamic viscoelastic measurements reveal that PRx-LCE exhibits a remarkably high energy dissipation, as indicated by a large tan δ. Interestingly, the secondary tan δ peak associated with LCE damping is more pronounced than the primary peak of the glass transition. The exceptional energy dissipation in PRx-LCE results in superior adhesion strength (≈1864 N m−1), which is 3.5 times higher than conventional LCEs and 13 times higher than commercial PSAs in the peel test. Additionally, PRx-LCEs demonstrate thermally reversible adhesion, enabling clean removal at elevated temperatures. Furthermore, the sliding effect in PRx-LCE enhances both deformability and stress relaxation under load, resulting in deeper indentation, and superior adhesion during the probe tack test. The combination of LCE and slidable crosslinks provides robust and switchable adhesion, making them promising for applications in biomedical engineering, display, and semiconductor industries.

- Authors (Pusan National University)

 · First author: Subi Choi (School of Chemical Engineering)

 · Corresponding author: Suk-kyun Ahn (School of Chemical Engineering)

- Title of original paper: Harnessing Extreme Internal Damping in Polyrotaxane-Incorporated Liquid Crystal Elastomers for Pressure-Sensitive Adhesives

- Journal: Advanced Functional Materials

- https://doi.org/10.1002/adfm.202413824