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.

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