세포유래의 세포외 소포(extracellular vesicles)는 세포 간 통신에서 중요한 역할을 수행하는 지질 이중막 소포이다. 세포외 소포는 상당한 생의학적 잠재력을 지니고 있음에도 불구하고, 세포외 소포의 기존 분리 방법론은 정교한 전처리를 필요로 하므로 노동집약적이며 처리량 면에서 제한적이다. 이러한 과제를 극복하기 위해, 맞춤형 세포외 소포 분리를 위한 약 400 nm 크기의 기공을 갖는 메조-대공성(meso-macroporous) 하이드로겔 매트릭스를 제조하는 손쉬운 제작 경로를 제시한다. 하이드로겔 매트릭스 내에서 표면 전하 선택적 포획(surface charge-selective capture)을 통해 세포외 소포를 포획하고, 고이온강도(high ionic strength)로 이를 회수함으로써, 전처리 없이 다양한 생체유체—전혈, 혈장, 복수, 타액, 소변, 소 우유 및 세포 배양 배지—에서 마이크로리터에서 리터 규모에 이르는 처리량 범위로 직접적인 세포외 소포 분리를 보고한다. 또한, 메조-대공성 하이드로겔이 세포외 소포를 필요 시점(on-demand) 하류 분석(downstream analyses)을 위해 보존하는 고체상(solid-phase) 매트릭스로도 기능함을 입증하여, 치료제(therapeutics), 코스메슈티컬(cosmeceuticals) 및 질병 진단(disease diagnostics)에 적용 가능함을 보여준다.

• VEUS는 정밀 진단 능력을 갖춘 현장(POCT) 기반 검사 플랫폼이다. • VEUS는 외상성 뇌손상에 대해 임상 진단과 동등한 수준의 진단 역량을 보인다. • VEUS는 다중화를 위해 길이 인코딩된 막대형 자성 입자를 활용한다. • VEUS는 분석법부터 이미지 처리까지 완전 자동화를 제공한다. • VEUS는 1× 배율에서 전방위(둘레 방향)로 집광하는 조명을 가진다. 생의학 분야에서 시의적절한 의료 개입을 위해 POCT의 역량을 정밀 진단과 결합하려는 수요가 증가하고 있다. 정밀 진단은 높은 민감도와 다중화 능력을 제공하지만, 결과 회신까지 최소 하루가 필요하며 비용이 많이 들고 부피가 큰 장비와 숙련된 운영자가 요구된다. 기존 POCT는 높은 민감도, 정확성, 다중화 기능, 신속성을 동시에 달성하는 데 어려움이 있다. 면역 및 분자 진단을 가능하게 하는 플랫폼은 진단 및 예후 정밀도를 향상시킬 것이다. 본 연구에서는 POCT와 정밀 진단의 이점을 통합한 VEUS (Versatile, Easy, User-friendly System)를 제시한다. VEUS는 네 가지 핵심 구성 요소를 갖추고 있다: 1) 분석법 워크플로우의 완전 자동화, 2) 1× 영상 획득을 위한 전방위 집광 조명, 3) 고처리량 AI 기반 디코딩 및 이미지 처리, 그리고 4) 길이 인코딩된 막대형 자성 입자. 이러한 혁신은 기존 현미경에 비해 10배 더 높은 광학 민감도를 제공하며, 면역 및 분자 진단 모두를 수행할 수 있는 보편적이며 상용화 준비가 된 플랫폼을 제공한다. 광범위한 임상 적용 가능성을 보여주기 위해, 우리는 면역검사를 통해 외상성 뇌손상과 패혈증을 진단하고 CRISPR/Cas 기반 분자 검사를 통해 호흡기 바이러스 감염을 진단함으로써 이 이중 기능을 제시한다. VEUS는 환자에게 현장에서 신속하고 정확한 진단을 제공함으로써 임상 결과를 유의미하게 개선할 잠재력이 있다.

대기오염은 인지 장애, 신경염증, 혈액–뇌 장벽의 붕괴를 포함한 신경퇴행을 유발한다. 대기오염 매개 신경퇴행의 기전은 세포 간 상호작용에 대한 제한된 이해로 인해 아직 완전히 규명되지 않았다. 본 연구에서는 뉴런, 교세포, 뇌 내피세포(뇌 혈관 내피세포; bECs; 신경-교세포-혈관, NGV)를 포함하는 ‘brain-on-a-chip’ 플랫폼을 제시하고, 세포 간 상호작용에 특히 초점을 두어 디젤 배기가스 입자(diesel exhaust particle, DEP) 유도 신경퇴행을 평가하였다. NGV 모델에서 DEP 노출은 아밀로이드 베타 축적, 타우 인산화, 과산화수소(hydrogen peroxide, H 2 O 2 )/활성산소종(reactive oxygen species, ROS) 생성, 뉴런 세포 사멸을 포함하는 알츠하이머병과 유사한 징후를 나타냈다. bEC가 분비하는 과립구-대식세포 콜로니 자극 인자(granulocyte-macrophage colony-stimulating factor, GM-CSF)는 미세아교세포의 활성화를 자극하고 미세아교세포에서 H 2 O 2 /ROS의 과도한 생성을 유도하여, bEC-미세아교세포-뉴런이 신경퇴행의 연쇄(cascade)임을 시사한다. GM-CSF 중화, 미세아교세포 활성화 억제, ROS 제거를 포함하여 이 연쇄의 각 단계에서의 약리학적 억제는 NGV 모델에서 신경퇴행을 방지하였다. 따라서 대기오염 유도 신경퇴행에서의 세포 간 상호작용을 추가로 연구해야 한다.

세포유래의 세포외 소포(extracellular vesicles)는 세포 간 통신에서 중요한 역할을 수행하는 지질 이중막 소포이다. 세포외 소포는 상당한 생의학적 잠재력을 지니고 있음에도 불구하고, 세포외 소포의 기존 분리 방법론은 정교한 전처리를 필요로 하므로 노동집약적이며 처리량 면에서 제한적이다. 이러한 과제를 극복하기 위해, 맞춤형 세포외 소포 분리를 위한 약 400 nm 크기의 기공을 갖는 메조-대공성(meso-macroporous) 하이드로겔 매트릭스를 제조하는 손쉬운 제작 경로를 제시한다. 하이드로겔 매트릭스 내에서 표면 전하 선택적 포획(surface charge-selective capture)을 통해 세포외 소포를 포획하고, 고이온강도(high ionic strength)로 이를 회수함으로써, 전처리 없이 다양한 생체유체—전혈, 혈장, 복수, 타액, 소변, 소 우유 및 세포 배양 배지—에서 마이크로리터에서 리터 규모에 이르는 처리량 범위로 직접적인 세포외 소포 분리를 보고한다. 또한, 메조-대공성 하이드로겔이 세포외 소포를 필요 시점(on-demand) 하류 분석(downstream analyses)을 위해 보존하는 고체상(solid-phase) 매트릭스로도 기능함을 입증하여, 치료제(therapeutics), 코스메슈티컬(cosmeceuticals) 및 질병 진단(disease diagnostics)에 적용 가능함을 보여준다.

• VEUS는 정밀 진단 능력을 갖춘 현장(POCT) 기반 검사 플랫폼이다. • VEUS는 외상성 뇌손상에 대해 임상 진단과 동등한 수준의 진단 역량을 보인다. • VEUS는 다중화를 위해 길이 인코딩된 막대형 자성 입자를 활용한다. • VEUS는 분석법부터 이미지 처리까지 완전 자동화를 제공한다. • VEUS는 1× 배율에서 전방위(둘레 방향)로 집광하는 조명을 가진다. 생의학 분야에서 시의적절한 의료 개입을 위해 POCT의 역량을 정밀 진단과 결합하려는 수요가 증가하고 있다. 정밀 진단은 높은 민감도와 다중화 능력을 제공하지만, 결과 회신까지 최소 하루가 필요하며 비용이 많이 들고 부피가 큰 장비와 숙련된 운영자가 요구된다. 기존 POCT는 높은 민감도, 정확성, 다중화 기능, 신속성을 동시에 달성하는 데 어려움이 있다. 면역 및 분자 진단을 가능하게 하는 플랫폼은 진단 및 예후 정밀도를 향상시킬 것이다. 본 연구에서는 POCT와 정밀 진단의 이점을 통합한 VEUS (Versatile, Easy, User-friendly System)를 제시한다. VEUS는 네 가지 핵심 구성 요소를 갖추고 있다: 1) 분석법 워크플로우의 완전 자동화, 2) 1× 영상 획득을 위한 전방위 집광 조명, 3) 고처리량 AI 기반 디코딩 및 이미지 처리, 그리고 4) 길이 인코딩된 막대형 자성 입자. 이러한 혁신은 기존 현미경에 비해 10배 더 높은 광학 민감도를 제공하며, 면역 및 분자 진단 모두를 수행할 수 있는 보편적이며 상용화 준비가 된 플랫폼을 제공한다. 광범위한 임상 적용 가능성을 보여주기 위해, 우리는 면역검사를 통해 외상성 뇌손상과 패혈증을 진단하고 CRISPR/Cas 기반 분자 검사를 통해 호흡기 바이러스 감염을 진단함으로써 이 이중 기능을 제시한다. VEUS는 환자에게 현장에서 신속하고 정확한 진단을 제공함으로써 임상 결과를 유의미하게 개선할 잠재력이 있다.

대기오염은 인지 장애, 신경염증, 혈액–뇌 장벽의 붕괴를 포함한 신경퇴행을 유발한다. 대기오염 매개 신경퇴행의 기전은 세포 간 상호작용에 대한 제한된 이해로 인해 아직 완전히 규명되지 않았다. 본 연구에서는 뉴런, 교세포, 뇌 내피세포(뇌 혈관 내피세포; bECs; 신경-교세포-혈관, NGV)를 포함하는 ‘brain-on-a-chip’ 플랫폼을 제시하고, 세포 간 상호작용에 특히 초점을 두어 디젤 배기가스 입자(diesel exhaust particle, DEP) 유도 신경퇴행을 평가하였다. NGV 모델에서 DEP 노출은 아밀로이드 베타 축적, 타우 인산화, 과산화수소(hydrogen peroxide, H 2 O 2 )/활성산소종(reactive oxygen species, ROS) 생성, 뉴런 세포 사멸을 포함하는 알츠하이머병과 유사한 징후를 나타냈다. bEC가 분비하는 과립구-대식세포 콜로니 자극 인자(granulocyte-macrophage colony-stimulating factor, GM-CSF)는 미세아교세포의 활성화를 자극하고 미세아교세포에서 H 2 O 2 /ROS의 과도한 생성을 유도하여, bEC-미세아교세포-뉴런이 신경퇴행의 연쇄(cascade)임을 시사한다. GM-CSF 중화, 미세아교세포 활성화 억제, ROS 제거를 포함하여 이 연쇄의 각 단계에서의 약리학적 억제는 NGV 모델에서 신경퇴행을 방지하였다. 따라서 대기오염 유도 신경퇴행에서의 세포 간 상호작용을 추가로 연구해야 한다.

염기서열 다형성(SNP) 유전자형 분석에서, 논문 번호 2105538의 Jungkyu Choi, Hyojin Lee, Nakwon Choi 및 동료 연구자들은 다중화(multiplex) 단일염기다형성(SNP) 유전자형 분석을 위한 SWITCH를 제시한다. 금 나노입자에서 얻은 침입자(단일가닥 올리고뉴클레오타이드)는 파란색과 노란색으로 표시되며, 형상 코드화된 하이드로겔 미세입자의 특정 영역에서 형광 회복을 유도한다.

뇌 오가노이드: 연구 논문(10.1002/adfm.202516238)에서 Il-Joo Cho, Nakwon Choi, Seok Chung, Hong Nam Kim 및 공동연구진은 인간 뇌의 서로 다른 영역 간 장거리, 단방향 연결을 모사함으로써 시험관 내 뇌 모델에서 영역-대-영역, 한 방향의 경로를 재구성하였다. 이 플랫폼은 전기적 활동의 비등방성 유도 단방향 전파, 신경염증 반응, 그리고 신경독성 단백질의 발현을 보여준다.

형광 유도 수술은 종양을 실시간으로 시각화할 수 있게 함으로써 수술의 정밀도를 향상시킨다. 본 연구에서는 삼중음성 유방암(TNBC)의 형광 유도 절제술을 위해, EGFR 표적 항체인 세툭시맙(cetuximab, Cetuximab)에 접합된 카텝신 B 활성화 영상화 프로브(Cetux-CB 프로브)를 개발하였다. 이 프로브는 카텝신 B에 민감한 펩타이드 링커, 근적외선 형광 염료(Flamma™ Fluors 749), 그리고 소광제(qFlamma Black01)로 구성되며, 종양 특이적 축적 이후 효소적 활성화를 가능하게 한다. Cetux-CB 프로브는 EGFR 과발현 TNBC 세포와 이종이식 종양에서 카텝신 B 의존적 형광 활성화가 뚜렷하게 나타났고, 높은 종양 축적과 정상 조직에서의 최소한의 배경 신호를 보였다. 전신 투여 이후, 프로브는 생체 내에서 지속적이고 국소화된 형광을 나타내었으며, 표적이 없는 대조군 및 항상 켜져 있는(always-on) 형광 대조군 모두보다 우수함을 보였다. 또한, 듀얼 모드 수술용 엑스스코프(dual-mode surgical exoscope)와 병용했을 때, 이 프로브는 수술 중 종양의 정밀한 위치 파악을 가능하게 하였고, 절개와 박리를 정확하게 유도하였으며, 잔여 신호의 부재로 이를 확인하였다. 본 연구는 TNBC 및 기타 EGFR 양성 암에서 수술 결과를 개선하기 위해, 듀얼 반응형 영상화 프로브와 호환 가능한 영상화 시스템의 결합이 갖는 임상적 잠재력을 보여준다.

심한 말초신경 손상은 재생 능력이 제한되어 기능적 장애를 크게 유발한다. 뇌유래신경영양인자(Brain-derived neurotrophic factor, BDNF) 및 신경성장인자(nerve growth factor)와 같은 성장인자는 신경세포의 분화와 재생을 촉진하지만, 이를 제어되고 효율적으로 전달하는 데에는 여전히 어려움이 있다. 본 연구에서는 성장인자를 모방하는 펩타이드를 공간적으로 제어하여 제시하기 위한 모듈형 플랫폼으로 정사각 블록 DNA 나노구조(square block DNA nanostructures, SQBs)를 제안한다. 5 nm 간격으로 38개의 BDNF-모방 펩타이드를 발현하는 SQBs는 사람 유래 중간엽 줄기세포의 신경 분화를 향상시켰다. 이중 리간드 제시는 플루오레세인 이소티오시아네이트(fluorescein isothiocyanate) 및 사이아닌5.5(cyanine5.5)를 사용하여 검증하였으며, 단일 세포 내에서 비율 제어 접합과 동소좌표화된 전달을 확인하였다. 좌골신경 손상 모델에서 BDNF 기능화 SQBs는 무처치 압궤(crush)군에 비해 기능적 회복을 완만하게 개선하고, 근육 위축을 감소시키며, 재수초화를 향상시켰다. 조직학적 분석에서는 수초(myelin) 소견의 두께 증가와 축삭(axon) 무결성의 개선이 관찰되었다. 이러한 결과는 SQBs가 신경재생 치료 및 더 폭넓은 조직 복구 전략을 위한, 프로그래밍 가능하고 공간적으로 정밀한 전달 시스템으로서의 잠재력을 지님을 시사한다.

효과적인 골 재생을 위한 세포-기질 상호작용의 최적화는 조직공학 분야에서 여전히 중대한 난제로 남아 있다. 본 연구는 골 재생의 향상을 위해 인간 중간엽 줄기세포(hMSCs)가 포함된 3차원 정렬(collagen aligned) 콜라겐을 개발함으로써 새로운 접근법을 제시한다. hMSCs와 콜라겐의 혼합물에 1단계 기계적 변형(one-step mechanical strain)을 적용하여, 자연 골 기질을 모사하는 hMSC가 포함된 정렬 3차원 콜라겐 하이드로젤 패치를 제작하였다. 특히 정렬된 콜라겐에 포함된 hMSCs는 외부 유도 시약 없이도 자발적으로 골세포(osteoblasts)로 분화하였다. 면역형광 분석 결과, 골분화에 핵심적인 BMP2-smad1/5 신호전달 경로가 정렬 콜라겐에 의해 활성화됨이 확인되었다. 두개골(calvarial) 결손 모델을 사용한 생체 내 실험에서는, 이 접근법이 기존 골의 가장자리에서가 아니라 결손의 중심부에서부터 새로운 골 형성을 시작하며 효과적으로 골 형성을 촉진함을 확인하였다. 본 연구 결과는 hMSCs를 포함한 정렬 3차원 콜라겐을 만들기 위한 사전 변형(pre-straining)이라는 단순한 방법이 골 재생을 위한 새로운 세포치료 플랫폼으로서의 가능성을 지닌다는 점을 시사한다. 중요성 진술(STATEMENT OF SIGNIFICANCE): 본 연구는 hMSCs를 포함한 3차원 정렬 콜라겐 패치를 개발함으로써 골 재생을 향상시키는 새로운 방법을 제시한다. hMSC-콜라겐 혼합물에 단 한 번의 기계적 변형을 가하면, 자연 골 조직을 모사하는 정렬 콜라겐 기질이 형성된다. 놀랍게도, 외인성 유도 시약이 없는 상태에서도 골형태형성 단백질(bone morphogenetic protein) 신호전달 경로의 활성화에 의해 hMSCs가 골세포로 자발적으로 분화한다. 두개골 결손 모델을 이용한 생체 내 연구는 새로운 골 생성이 결손의 중심부에서 시작됨을 포함하여 효과적인 골 재생을 확인하였다. 본 접근법은 골 수복을 위한 유망하고 단순한 세포치료 플랫폼을 제공하며, 조직공학 및 재생의학 전반에 광범위한 함의를 가진다.