피부는 신체에서 가장 큰 기관으로서 중요한 보호 및 조절 역할을 수행하며, 재생의학에서 핵심적인 표적이 된다. 그러나 현재의 피부 모델은 종종 환자 특이성을 결여하고, 고유의 세포외기질(ECM) 조성을 재현하지 못하여 임상적 관련성을 제한한다. 본 연구는 환자 유래 탈세포화 세포외기질(pddECM) 바이오잉크와 케라틴-알지네이트(KA) 바이오잉크를 결합한 3D 바이오프린팅 피부 모델을 제시하며, 이는 고유 피부의 구조와 기능을 모사한다. pddECM은 인간 진피 섬유아세포(HDF)의 높은 생존성을 지지하여 콜라겐 I의 생성을 촉진하고 견고한 ECM 리모델링을 유도하는 한편, KA 바이오잉크는 기저 각질형성세포의 활성화 및 각질화(cornification)를 강화한다. 이 구성체는 세포 이동과 혈관형성을 향상시켜 효과적인 조직 통합과 저산소 스트레스 감소에 기여한다. 사이토카인 프로파일링 결과 ICAM-1 및 보체 C5의 상향조절이 관찰되었으며, 이는 각질형성세포의 운동성 증가와 빠른 기질 리모델링과 연관된다. 또한 염증 유발 사이토카인(IL-4 및 IL-8)의 하향조절은 섬유화 억제에 유리한 환경을 시사한다. 생체 내에서 GelMA 및 GelMA+pddECM 스캐폴드는 국소 또는 전신 독성 없이 상처 폐쇄를 촉진하였고, 진피 두께를 보존하면서 이동하는 표피 혀(migrating epidermal tongue, MET) 발현을 유도하였다. 환자 특이적이고 생체활성인 본 피부 모델은 중개 조직공학에서 개인맞춤 상처치유, 약물 스크리닝, 고충실도 피부 이식에 대한 차세대 플랫폼으로서 큰 잠재력을 지닌다.

관련성.

종양 미세환경은 다양한 복합적인 원인 요인으로 구성된다. 췌장관 선암(PDAC)의 기질 성분은 조직 강직도와 같은 물리적 특성뿐 아니라 암의 진행 및 치료 반응성에도 중요한 역할을 한다. 섬유화성(desmoplastic) PDAC을 모사하기 위한 상당한 노력에도 불구하고, 기존 모델들은 PDAC의 진행을 모사하고 이해하기 위해 병인을 충분히 재현하지 못하였다. 본 연구에서는 섬유화성 췌장 기질의 두 가지 주요 구성요소인 히알루론산 및 젤라틴 기반 하이드로겔을 설계하여, PDAC와 암 관련 섬유아세포(CAF)로 구성된 종양 구형체(spheroid)를 위한 기질을 제공하고자 하였다. 형상 분석 프로파일은 CAF를 포함할 경우 더 치밀한 조직 형성이 유도됨을 보여준다. 증식, 상피-중간엽 전이, 메카노트랜스덕션, 진행과 관련된 마커의 발현 수준은 고(高) 섬유화성 매트릭스 모사 하이드로겔에서 배양된 암-CAF 구형체에서 더 높게 관찰되었으며, 변환성장인자-β1(transforming growth factor-β1, TGF-β1)의 존재 하에 섬유화성 매트릭스 모사 하이드로겔에서 배양한 경우에도 이러한 경향이 관찰되었다. 제안된 다세포성 췌장 종양 모델은 적절한 기계적 특성과 TGF-β1 보충을 결합함으로써 췌장 종양의 진행을 닮아가며 모니터링할 수 있는 고도화된 췌장 모델 개발에 진전을 이루며, 개인 맞춤 의학(personalized medicine) 및 약물 시험(drug testing) 적용을 실현하는 데 잠재적으로 활용될 수 있다.

피부는 신체에서 가장 큰 기관으로서 중요한 보호 및 조절 역할을 수행하며, 재생의학에서 핵심적인 표적이 된다. 그러나 현재의 피부 모델은 종종 환자 특이성을 결여하고, 고유의 세포외기질(ECM) 조성을 재현하지 못하여 임상적 관련성을 제한한다. 본 연구는 환자 유래 탈세포화 세포외기질(pddECM) 바이오잉크와 케라틴-알지네이트(KA) 바이오잉크를 결합한 3D 바이오프린팅 피부 모델을 제시하며, 이는 고유 피부의 구조와 기능을 모사한다. pddECM은 인간 진피 섬유아세포(HDF)의 높은 생존성을 지지하여 콜라겐 I의 생성을 촉진하고 견고한 ECM 리모델링을 유도하는 한편, KA 바이오잉크는 기저 각질형성세포의 활성화 및 각질화(cornification)를 강화한다. 이 구성체는 세포 이동과 혈관형성을 향상시켜 효과적인 조직 통합과 저산소 스트레스 감소에 기여한다. 사이토카인 프로파일링 결과 ICAM-1 및 보체 C5의 상향조절이 관찰되었으며, 이는 각질형성세포의 운동성 증가와 빠른 기질 리모델링과 연관된다. 또한 염증 유발 사이토카인(IL-4 및 IL-8)의 하향조절은 섬유화 억제에 유리한 환경을 시사한다. 생체 내에서 GelMA 및 GelMA+pddECM 스캐폴드는 국소 또는 전신 독성 없이 상처 폐쇄를 촉진하였고, 진피 두께를 보존하면서 이동하는 표피 혀(migrating epidermal tongue, MET) 발현을 유도하였다. 환자 특이적이고 생체활성인 본 피부 모델은 중개 조직공학에서 개인맞춤 상처치유, 약물 스크리닝, 고충실도 피부 이식에 대한 차세대 플랫폼으로서 큰 잠재력을 지닌다.

관련성.

종양 미세환경은 다양한 복합적인 원인 요인으로 구성된다. 췌장관 선암(PDAC)의 기질 성분은 조직 강직도와 같은 물리적 특성뿐 아니라 암의 진행 및 치료 반응성에도 중요한 역할을 한다. 섬유화성(desmoplastic) PDAC을 모사하기 위한 상당한 노력에도 불구하고, 기존 모델들은 PDAC의 진행을 모사하고 이해하기 위해 병인을 충분히 재현하지 못하였다. 본 연구에서는 섬유화성 췌장 기질의 두 가지 주요 구성요소인 히알루론산 및 젤라틴 기반 하이드로겔을 설계하여, PDAC와 암 관련 섬유아세포(CAF)로 구성된 종양 구형체(spheroid)를 위한 기질을 제공하고자 하였다. 형상 분석 프로파일은 CAF를 포함할 경우 더 치밀한 조직 형성이 유도됨을 보여준다. 증식, 상피-중간엽 전이, 메카노트랜스덕션, 진행과 관련된 마커의 발현 수준은 고(高) 섬유화성 매트릭스 모사 하이드로겔에서 배양된 암-CAF 구형체에서 더 높게 관찰되었으며, 변환성장인자-β1(transforming growth factor-β1, TGF-β1)의 존재 하에 섬유화성 매트릭스 모사 하이드로겔에서 배양한 경우에도 이러한 경향이 관찰되었다. 제안된 다세포성 췌장 종양 모델은 적절한 기계적 특성과 TGF-β1 보충을 결합함으로써 췌장 종양의 진행을 닮아가며 모니터링할 수 있는 고도화된 췌장 모델 개발에 진전을 이루며, 개인 맞춤 의학(personalized medicine) 및 약물 시험(drug testing) 적용을 실현하는 데 잠재적으로 활용될 수 있다.

종양 미세환경 내의 기계적 힘은 암 진행의 중요한 조절 인자로 점차 인식되고 있으나, 흑색종에서 세포자멸사(apoptosis) 조절에 미치는 영향은 아직 충분히 규명되지 않았다. 본 연구에서는 생리적으로 관련된 순환(цикличес) 기계적 변형을 전달할 수 있는 맞춤형 신축성 배양 플랫폼을 개발하고, 전이 잠재력이 서로 다른 흑색종 세포에서 내재성 세포자멸사에 대한 영향을 조사하였다. 순환 신장은 전이성이 높은 흑색종 세포에서 세포자멸사를 유의하게 감소시킨 반면, 전이성이 낮은 대조군은 최소한의 반응 또는 서로 다른(differential) 반응을 보였다. 기전적으로 기계적 자극은 BAD–BCL-2 계열–BAX 축을 따라 내재성 미토콘드리아 세포자멸사 신호전달을 억제하여 카스파제-3/7 활성화를 감소시켰다. 또한 기계감응성 채널(mechanosensitive channel) 활성 및 세포 내 Ca 2+ 신호전달에 대한 약리학적 조절은 신장 조건에서 세포자멸사 반응을 부분적으로 회복시켜, 이 과정에서 칼슘 관련 기계전달(mechanotransduction)이 관여함을 뒷받침하였다. 중요하게도, 신장을 받은 전이성이 높은 흑색종 세포는 약리학적 세포자멸사 유도에 대한 민감도가 감소되어, 기계적 자극 하에서 세포자멸사 반응성이 변형됨을 시사하였다. 생체 내(in vivo) 모델에서도 선행된 기계적 조건화가 생존과 전이 특성을 향상시킴이 추가로 확인되었다. 종합하면, 이러한 결과는 순환 기계적 스트레스가 전이 잠재력–의존적 방식으로 세포자멸사 저항성을 촉진함을 보여주며, 흑색종 진행과 치료 반응을 이해함에 있어 조직의 역학(tissue mechanics)을 고려하는 것이 중요함을 강조한다. • 맞춤형으로 제작된 순환 신장(cyclic stretching) 플랫폼은 기계적 스트레스가 전이성이 높은 흑색종 세포에서 내재성 세포자멸사를 억제함을 보여준다. • 약리학적 억제 실험은 기계감응성 채널–연관 Ca 2+ 신호전달이 신장에 의존하는 세포자멸사 조절에 기여함을 시사한다. • 마우스(B16F1/F10)와 인간(A375P/SM) 흑색종 모델을 이용한 교차 종 검증을 통해 순환 기계 자극에 대한 보존된 기계적 순응(mechanoadaptive) 반응이 나타남을 확인하였다. • 생체 내 종양 모델에서는 시험관 내에서 기계적으로 선조건화된 흑색종 세포가 종양 성장과 전이 정착(metastatic colonization)을 향상시키는 것으로 나타나, 흑색종 진행에서 기계적 환경의 잠재적 역할을 부각한다.

NIR 조사 매개 PDT/PTT 하에서 ICC@Lip은 세포 내 저산소증과 관련된 섬유화 지표를 유의하게 완화하였으며, 근섬유아세포(myofibroblasts)에 대해 93.71%의 세포독성률을 달성하였다. 이는 IR808 단독군(62.74%)에 비해 1.49배 높은 수치이다. 동시에 M2 대식세포 분극과 TGF-β 분비를 감소시켰다. 특히, PDT 후 ROS(활성산소종)의 적시 제거는 대식세포의 M1 분극을 감소시켰고, 50% 이상(>50%)의 염증성 사이토카인 분비를 억제하였다. 토끼 귀에서는 비후성 흉터(hypertrophic scar) 모델에서 ICC@Lip/HPMN이 흉터 융기 지수(scar elevation index)를 3에서 1.7로 감소시켜, 콜라겐 침착과 염증을 유의하게 완화함을 보였다. 항섬유화 효능은 주로 TGF-β, IL-4 및 toll-like receptor 신호전달 경로의 상호 억제(cross-downregulation)를 통해 발휘되었다. 본 연구는 병적 흉터에 대한 ROS의 정밀 조절로 자가 강화된 PDT를 결합한 유망한 적응형 치료 전략을 제시하였다.

전기 자극(ES) 치료는 연골 치유를 촉진하지만, 부피가 큰 장비로 인해 어려움이 있어 환자의 순응도를 향상시키고 유익을 제공하기 위한 경량의 이식형 생체적합 전기 자극기 개발이 필요하다. 압전(piezoelectric) 재료는 체내에서 ES를 제공함으로써 골관절염(OA)을 치료하기 위한 자가 구동형(bioelectric) 생체전기 치료제로서의 잠재력에 대해 상당한 주목을 받아왔다. 이에 따라 위계적으로 구조화된 압전 스캐폴드를 기반으로, 운동에 의해 유도되는 연골 재생을 위한 ES 치료법을 제안한다. 폴리비닐리덴 플루오라이드/산화아연/폴리카프로락톤(polycaprolactone)(PZP)으로 구성된 압전 스캐폴드는 복합 3D 프린팅 및 롤링 기법을 사용하여 제작되었으며, OA에 대한 치료로서 연골 재생을 촉진할 수 있는 잠재력을 보였다. 개발된 PZP 스캐폴드는 유리한 전기 신호 생성 능력, 양호한 생체적합성, 그리고 우수한 분해 저항성을 지닌다. 또한 PZP 스캐폴드는 체외(in vitro)에서 연골세포의 증식을 촉진하고 염증 및 기질(matrix)의 분해를 억제할 수 있다. 더불어 골연골 결손을 가진 쥐에서 PZP 스캐폴드를 이식한 경우, 이식 후 1–2개월에 형태학적 및 기능적 연골 회복이 유의하게 관찰되었다. 본 연구는 연골 재생을 촉진하는 전기 신호를 생성할 수 있는 효율적이고 사용자 친화적인 압전 스캐폴드 시스템의 잠재력을 강조한다.

기판에 가까운 쪽과 기판에서 먼 쪽에 대한 자기 조작을 통해 나노스케일에서의 리간드 비등방성이 주기적으로 역전될 수 있다. 세포를 위한 이러한 전례 없는 스케일 특이적 조절은, 계층적 구조의 스케일, 비등방성, 치수, 형상, 자기성을 무한히 조율함으로써 다양화될 수 있으며, 스케일 특이적 동적 세포-재료 상호작용을 해명하여 면역공학 전략을 발전시키는 데 기여할 수 있다.