경피 약물 전달(transdermal drug delivery)은 피부 질환 치료에 유의미한 잠재력을 지닌다. 바늘을 사용하는 기존 방법이나 대용량의 약물 전달 장치를 활용하는 방식은 종종 환자에게 불편을 유발하고 전달이 불균질해지는 문제를 초래한다. 본 연구는 경피 약물 전달을 위해 제어된 초음속 극저온 제트(controlled supersonic cryogenic jets)를 사용하여 고속의 고체 얼음 약물 입자를 생성하는 소피콜리터 얼음 입자 전달(picoliter ice particle delivery, PIPD) 기술을 제안한다. 제안된 PIPD 시스템은 액상 약물을 동시에 미세 액적(micro-droplets)으로 분무(원자화)하고, 이를 고체 얼음 입자로 동결하며, 이 입자들을 가속하여 피부 장벽을 관통하도록 한다. 이러한 모든 과정은 300 μs 이내에 이루어져 약물의 무결성이 보장된다. 특히, 대부분의 입자는 1 소피콜리터(picroliter)보다도 더 낮은 용적을 나타냈다. PIPD의 평균 전달 효율은 ex vivo 돼지 피부를 사용했을 때 50%로 확인되었으며, in vivo 마우스 실험 결과 PIPD의 진피(dermis) 층으로의 전달 효율이 전통적인 주사 전달과 비슷한 수준임을 시사한다. 줄기세포 유래 기능성 세포외 소포(extracellular vesicles, EVs)는 PIPD 이후에도 항염 및 재생(regenerative)과 관련된 세포 흡수 특성의 저하를 보이지 않았다. 그 결과, PIPD EVs 전달은 상처(wound) 및 아토피 피부염(atopic dermatitis) 동물 모델에서 유의한 치료적 개선을 이끌었다.

줄기세포 치료는 조직 재생에 대한 가능성을 지니고 있으나, 여전히 중대한 과제들이 남아 있다. 보다 안전하면서 잠재적으로 더 효과적인 대안으로 부상한 줄기세포 유래 세포외 소포(extracellular vesicles, EVs)는 핵심 신호전달 연쇄를 활성화하는 놀라운 능력을 보여주며, 그 결과 조직 수복을 촉진한다. EVs는 나노 스케일의 막 소포로서, 단백질, 지질, 핵산 등 다양한 화물을 포획함으로써 세포 간 소통을 매개한다. 이들의 치료적 잠재력은 화물 전달, 신호전달 경로의 활성화, 그리고 줄기세포 기반 조직 수복의 한계를 극복하는 데 필수적인 요소인 산화 스트레스의 효율적 완화에 있다. 본 리뷰는 조직 재생에서의 EVs의 공학적 설계와 적용에 초점을 맞추며, 반응성 산소종(reactive oxygen species, ROS) 경로를 조절하는 역할을 강조한다. 또한 기능화(functionalization) 및 항산화 방어 단백질의 도입을 포함하여 EVs의 치료 활성도를 향상시키기 위한 전략을 살펴본다. 이러한 분자적 기전의 이해는 EV 기반 재생 치료를 최적화하는 데 중요하다. EV 및 ROS 신호전달 조절에 대한 통찰은 EVs의 잠재력을 활용하는 표적화되고 효율적인 재생 치료의 길을 열어줄 것이다.

INTRODUCTION: 줄기세포 미세환경은 생물학적 기능과 임상적 등급(clinical grade)에 견고하게 영향을 미치는 것으로 입증되어 왔다. 특히 천연 또는 합성 성장인자는 특정 세포외 수용체와의 상호작용을 통해 줄기세포의 증식, 대사, 분화를 조절하는 데 필수적이다. 섬유아세포 성장인자-2(Fibroblast growth factor-2, FGF-2)는 다양한 조직과 기관에서 다면적(pleiotropic) 기능을 지닌다. FGF-2는 FGF 수용체(FGF receptor, FGFR)와 상호작용하여, 혈관신생, 상처 치유, 세포 증식 및 분화와 같은 수많은 생물학적 기능을 포함하는 FGFR 신호전달 경로를 활성화한다. OBJECTIVES: 본 연구에서는 아직 규명되지 않은 기능을 갖는 FGF-2 유래 펩타이드 FP2(44-ERGVVSIKGV-53)의 분자적 기능, 작용 기전 및 치료 활성을, 알려진 기능을 갖는 다른 시험 펩타이드인 canofin1(FP1), hexafin2(FP3), canofin3(FP4)와 비교하여 인간 위튼 젤리 중간엽 줄기세포(human Wharton's jelly mesenchymal stem cells, hWJ-MSCs)의 증식과 분화 및 치료적 적용을 촉진하는 데서 탐색하고자 한다. METHODS: 배양 접시에 머슬 접착 단백질(mussel adhesive proteins, MAP)과 융합된 시험 펩타이드를 EDC/NHS 화학을 통해 고정화하였다. 세포 증식 분석, 콜로니 형성 단위(colony-forming unit) 평가, 웨스턴 블로팅 분석, 유전자 발현 분석, RNA-Seq 분석, 조골(osteogenic) 및 연골분화(chondrogenic) 분화능을 이용하여 시험 펩타이드의 활성을 검증하였다. 또한 펩타이드-수용체 상호작용 예측을 위해 3차원(3D) 구조 분석과 인공지능(AI) 기반 AlphaFold2 및 CABS-dock 프로그램을 추가로 활용하였다. 아울러 골관절염 마우스 모델을 이용하여 FP2 배양 hWJ-MSCs의 생체 내 치료 능력을 검증하였다. RESULTS: hWJ-MSC를 FP2 고정화 배양 접시에 배양한 경우, 시험 펩타이드에 비해 세포 증식(n = 3; *p < 0.05, **p < 0.01)과 콜로니 형성 단위(n = 3; *p < 0.05, **p < 0.01)가 유의하게 증가하였다. FP2는 FRS2α 및 FGFR1의 인산화(phosphorylation)를 유의하게 상향 조절하고, AKT 및 ERK 신호전달 경로를 활성화하였다(n = 3; *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001). 흥미롭게도, AI 기반 도구를 이용해 예측된 효율적인 FP2 수용체 결합을 확인하였다. AKT 억제제로 처리 시, FP2 매개에 의한 세포 분화 증진이 유의하게 차단되었다(n = 3; *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001). 골관절염 마우스 모델에서 FP2 배양 MSC의 관절강 내(intra-articular) 주사는 기능적 검사에서 나타난 바와 같이 관절염 증상을 유의하게 완화하였으며(n = 10; *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001), 전염증성 및 항염증성 유전자의 발현 수준을 조절했고, 조직 절편(tissue sections)에 의해 시사되는 향상된 골연골 재생(osteochondral regeneration)도 관찰되었다. CONCLUSION: 본 연구는 FGF-2 유래 펩타이드 FP2를 hWJ-MSCs의 치료 잠재력을 향상시키기 위한 유망한 후보 펩타이드로 규명하였으며, 특히 골 및 연골 재생에서의 효과가 기대된다.

세포외 소포체(EVs, extracellular vesicles)는 세포 간 소통 및 다양한 생리적·병리적 과정에 관여하는 나노 크기의 막 구조이다. 본 연구에서는 Noxa로부터 유래한 펩타이드인 eMTDΔ4를 사용하여 고순도의 EV를 15분 이내의 신속한 시간 내에 대규모로 생산하는 새로운 방법을 제시한다. 인간 제대혈 젤리(Wharton's jelly) 유래 중간엽 줄기세포를 트립신 처리한 후, 화학적으로 정의된 자당(sucrose) 완충액에서 궤도 진탕(orbital shaking)과 함께 이어서 eMTDΔ4를 자극 처리하면, EV 생산이 상당히 증가(약 30배)하였으며 동시에 순도도 현저히 높아졌다(약 45배). 이러한 EV들(TS-eEVs)은 48시간 배양 배지에서 얻은 자연 EVs보다 재생 및 면역조절 잠재력이 더 큰 것으로 나타났다. 칼슘 킬레이터인 BAPTA-AM과 칼페인(calpain) 억제제인 ALLM은 eMTDΔ4에 의해 유도된 TS-eEV 생산을 차단하였으나, 자연 EV 생성 억제제인 GW4869는 차단하지 못하였다. 이는 eMTDΔ4 매개 조절이 세포 내 칼슘 수준 및 칼페인 활성과 밀접하게 연관되어, TS-eEV의 신속한 대량 생산을 가능하게 함을 시사한다. 본 연구는 EV 기반 약물 개발 및 세포 치료를 위한 줄기세포 유래 EV 생산 분야에서 상당한 진전을 가져올 수 있을 것으로 기대된다.

인간 눈물샘(누점샘, LG)은 전두골의 안와 바깥쪽 부위(외측 안와 영역) 상부에 위치한 기관으로, 안구 표면의 건강과 윤활을 유지하는 데 필수적이다. 이는 결합조직에 의해 안와 골막에 견고하게 고정되어 있으며, 눈물액을 분비함으로써 눈을 보호하고 윤활하는 데 중요하다. 눈물액의 생성, 조성 또는 분비에 대한 교란은 안구 건조증을 초래할 수 있는데, 안구 건조증은 안구 불편감과 잠재적인 안구 표면 손상을 특징으로 하는 질환이다. 본 총설은 조직 및 줄기세포를 이용한 LG 오가노이드 생성에서의 최근 발전을 탐구하고, 생체재료 기반 및 스캐폴드-프리 기술에서의 최첨단 기법을 조명한다. 또한 LG 기능장애의 복잡한 병태생리를 밝히는 동시에, LG의 생리적 역할에 대한 통찰을 제공하고 LG 오가노이드를 생성하기 위한 전략을 확인하며, 이들의 잠재적 임상 적용 가능성을 탐색한다. LG의 형태학적 변화 또는 분비 기능의 변화는 눈물막의 안정성과 질에 영향을 미쳐 다양한 안과적 병적 상태로 이어질 수 있다. 본 포괄적 총설은 LG 오가노이드 발달과 질병 모델링 및 약물 스크리닝 사이의 핵심적인 연계를 강조하며, 치료적 적용을 발전시킬 수 있는 잠재력을 부각한다.

세포외 소포(extracellular vesicles, EVs)는 단백질, 지질, 핵산을 포함한 기능적으로 활성인 분자들을 운반함으로써 세포 간 통신에서 핵심적인 역할을 한다. 전통적인 2차원(2D) 단층 배양(2D-EVs)에서 생성되는 EV에 대한 광범위한 연구가 이루어져 왔으나, 3차원(3D) 오가노이드(organoid) 시스템의 출현은 오가노이드 유래 소포(organoid-derived EVs, OEVs)의 개발로 이어졌고, 이는 원래 조직의 생리적 조건을 보다 밀접하게 모사한다. 2D 배양과 달리 3D 시스템은 더 향상된 EV 수율과 화물(cargo) 특이성을 제공하여, 임상 적용 가능성을 강화한다. 본 종설에서는 OEVs의 향상된 조직 관련성, 다양한 분자 조성, 그리고 질병 모델링, 재생 치료, 표적 약물 전달과 같은 영역에서의 유망한 치료적 응용을 포함한, OEVs의 독특한 특성들을 논의한다. 또한 OEVs를 생산하기 위해 사용되는 현재의 오가노이드 기반 플랫폼에 대한 개요, EV 변형 및 생물공학 분야의 최근 혁신, 그리고 임상 도입에 있어 실제적인 장애요인들을 제시한다. OEVs와 2D-EVs의 강점과 한계를 비교함으로써, 정밀 의료(precision healthcare), 바이오마커 식별, 그리고 고도화된 치료 전략에서 이들이 미래에 수행할 역할에 대한 종합적인 관점을 제공한다.

건선은 면역 반응의 조절 실패와 비정상적인 각질세포(KC) 증식을 통해 유발되는 만성 염증성 피부 질환으로, 환자의 삶의 질에 중대한 영향을 미친다. 축적되는 근거는 재생의학 분야에서 세포외 소포(extracellular vesicles, EVs)가 유망한 치료 후보가 될 수 있음을 시사하며, 건선 관리에 대한 새로운 접근을 제공한다. 본 리뷰는 건선 병태생리의 핵심을 비판적으로 개관하고, EV 기반 치료의 기전적 기반을 평가하면서, 면역 항상성을 회복시키는 면역조절 능력에 중점을 둔다. 우리는 전임상 연구에서의 결과를 종합하여, 다양한 세포 기원으로부터 유래한 EV가 염증을 완화하고, 면역 반응을 조절하며, 상처 치유를 촉진하고, KC 기능을 조절하는 능력을 포함하여 치료적 잠재력을 지님을 보여준다. 마지막으로, EV 치료의 효능을 최적화하고 이러한 결과를 임상 실무로 전환하기 위한 향후 방향을 탐색한다. 종합하면, 본 리뷰는 EV를 표적화된 무세포(cell-free) 치료 전략으로서 건선 치료를 변화시킬 잠재력이 있음을 강조한다.

경피 약물 전달(transdermal drug delivery)은 피부 질환 치료에 유의미한 잠재력을 지닌다. 바늘을 사용하는 기존 방법이나 대용량의 약물 전달 장치를 활용하는 방식은 종종 환자에게 불편을 유발하고 전달이 불균질해지는 문제를 초래한다. 본 연구는 경피 약물 전달을 위해 제어된 초음속 극저온 제트(controlled supersonic cryogenic jets)를 사용하여 고속의 고체 얼음 약물 입자를 생성하는 소피콜리터 얼음 입자 전달(picoliter ice particle delivery, PIPD) 기술을 제안한다. 제안된 PIPD 시스템은 액상 약물을 동시에 미세 액적(micro-droplets)으로 분무(원자화)하고, 이를 고체 얼음 입자로 동결하며, 이 입자들을 가속하여 피부 장벽을 관통하도록 한다. 이러한 모든 과정은 300 μs 이내에 이루어져 약물의 무결성이 보장된다. 특히, 대부분의 입자는 1 소피콜리터(picroliter)보다도 더 낮은 용적을 나타냈다. PIPD의 평균 전달 효율은 ex vivo 돼지 피부를 사용했을 때 50%로 확인되었으며, in vivo 마우스 실험 결과 PIPD의 진피(dermis) 층으로의 전달 효율이 전통적인 주사 전달과 비슷한 수준임을 시사한다. 줄기세포 유래 기능성 세포외 소포(extracellular vesicles, EVs)는 PIPD 이후에도 항염 및 재생(regenerative)과 관련된 세포 흡수 특성의 저하를 보이지 않았다. 그 결과, PIPD EVs 전달은 상처(wound) 및 아토피 피부염(atopic dermatitis) 동물 모델에서 유의한 치료적 개선을 이끌었다.

줄기세포 치료는 조직 재생에 대한 가능성을 지니고 있으나, 여전히 중대한 과제들이 남아 있다. 보다 안전하면서 잠재적으로 더 효과적인 대안으로 부상한 줄기세포 유래 세포외 소포(extracellular vesicles, EVs)는 핵심 신호전달 연쇄를 활성화하는 놀라운 능력을 보여주며, 그 결과 조직 수복을 촉진한다. EVs는 나노 스케일의 막 소포로서, 단백질, 지질, 핵산 등 다양한 화물을 포획함으로써 세포 간 소통을 매개한다. 이들의 치료적 잠재력은 화물 전달, 신호전달 경로의 활성화, 그리고 줄기세포 기반 조직 수복의 한계를 극복하는 데 필수적인 요소인 산화 스트레스의 효율적 완화에 있다. 본 리뷰는 조직 재생에서의 EVs의 공학적 설계와 적용에 초점을 맞추며, 반응성 산소종(reactive oxygen species, ROS) 경로를 조절하는 역할을 강조한다. 또한 기능화(functionalization) 및 항산화 방어 단백질의 도입을 포함하여 EVs의 치료 활성도를 향상시키기 위한 전략을 살펴본다. 이러한 분자적 기전의 이해는 EV 기반 재생 치료를 최적화하는 데 중요하다. EV 및 ROS 신호전달 조절에 대한 통찰은 EVs의 잠재력을 활용하는 표적화되고 효율적인 재생 치료의 길을 열어줄 것이다.

INTRODUCTION: 줄기세포 미세환경은 생물학적 기능과 임상적 등급(clinical grade)에 견고하게 영향을 미치는 것으로 입증되어 왔다. 특히 천연 또는 합성 성장인자는 특정 세포외 수용체와의 상호작용을 통해 줄기세포의 증식, 대사, 분화를 조절하는 데 필수적이다. 섬유아세포 성장인자-2(Fibroblast growth factor-2, FGF-2)는 다양한 조직과 기관에서 다면적(pleiotropic) 기능을 지닌다. FGF-2는 FGF 수용체(FGF receptor, FGFR)와 상호작용하여, 혈관신생, 상처 치유, 세포 증식 및 분화와 같은 수많은 생물학적 기능을 포함하는 FGFR 신호전달 경로를 활성화한다. OBJECTIVES: 본 연구에서는 아직 규명되지 않은 기능을 갖는 FGF-2 유래 펩타이드 FP2(44-ERGVVSIKGV-53)의 분자적 기능, 작용 기전 및 치료 활성을, 알려진 기능을 갖는 다른 시험 펩타이드인 canofin1(FP1), hexafin2(FP3), canofin3(FP4)와 비교하여 인간 위튼 젤리 중간엽 줄기세포(human Wharton's jelly mesenchymal stem cells, hWJ-MSCs)의 증식과 분화 및 치료적 적용을 촉진하는 데서 탐색하고자 한다. METHODS: 배양 접시에 머슬 접착 단백질(mussel adhesive proteins, MAP)과 융합된 시험 펩타이드를 EDC/NHS 화학을 통해 고정화하였다. 세포 증식 분석, 콜로니 형성 단위(colony-forming unit) 평가, 웨스턴 블로팅 분석, 유전자 발현 분석, RNA-Seq 분석, 조골(osteogenic) 및 연골분화(chondrogenic) 분화능을 이용하여 시험 펩타이드의 활성을 검증하였다. 또한 펩타이드-수용체 상호작용 예측을 위해 3차원(3D) 구조 분석과 인공지능(AI) 기반 AlphaFold2 및 CABS-dock 프로그램을 추가로 활용하였다. 아울러 골관절염 마우스 모델을 이용하여 FP2 배양 hWJ-MSCs의 생체 내 치료 능력을 검증하였다. RESULTS: hWJ-MSC를 FP2 고정화 배양 접시에 배양한 경우, 시험 펩타이드에 비해 세포 증식(n = 3; *p < 0.05, **p < 0.01)과 콜로니 형성 단위(n = 3; *p < 0.05, **p < 0.01)가 유의하게 증가하였다. FP2는 FRS2α 및 FGFR1의 인산화(phosphorylation)를 유의하게 상향 조절하고, AKT 및 ERK 신호전달 경로를 활성화하였다(n = 3; *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001). 흥미롭게도, AI 기반 도구를 이용해 예측된 효율적인 FP2 수용체 결합을 확인하였다. AKT 억제제로 처리 시, FP2 매개에 의한 세포 분화 증진이 유의하게 차단되었다(n = 3; *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001). 골관절염 마우스 모델에서 FP2 배양 MSC의 관절강 내(intra-articular) 주사는 기능적 검사에서 나타난 바와 같이 관절염 증상을 유의하게 완화하였으며(n = 10; *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001), 전염증성 및 항염증성 유전자의 발현 수준을 조절했고, 조직 절편(tissue sections)에 의해 시사되는 향상된 골연골 재생(osteochondral regeneration)도 관찰되었다. CONCLUSION: 본 연구는 FGF-2 유래 펩타이드 FP2를 hWJ-MSCs의 치료 잠재력을 향상시키기 위한 유망한 후보 펩타이드로 규명하였으며, 특히 골 및 연골 재생에서의 효과가 기대된다.

세포외 소포체(EVs, extracellular vesicles)는 세포 간 소통 및 다양한 생리적·병리적 과정에 관여하는 나노 크기의 막 구조이다. 본 연구에서는 Noxa로부터 유래한 펩타이드인 eMTDΔ4를 사용하여 고순도의 EV를 15분 이내의 신속한 시간 내에 대규모로 생산하는 새로운 방법을 제시한다. 인간 제대혈 젤리(Wharton's jelly) 유래 중간엽 줄기세포를 트립신 처리한 후, 화학적으로 정의된 자당(sucrose) 완충액에서 궤도 진탕(orbital shaking)과 함께 이어서 eMTDΔ4를 자극 처리하면, EV 생산이 상당히 증가(약 30배)하였으며 동시에 순도도 현저히 높아졌다(약 45배). 이러한 EV들(TS-eEVs)은 48시간 배양 배지에서 얻은 자연 EVs보다 재생 및 면역조절 잠재력이 더 큰 것으로 나타났다. 칼슘 킬레이터인 BAPTA-AM과 칼페인(calpain) 억제제인 ALLM은 eMTDΔ4에 의해 유도된 TS-eEV 생산을 차단하였으나, 자연 EV 생성 억제제인 GW4869는 차단하지 못하였다. 이는 eMTDΔ4 매개 조절이 세포 내 칼슘 수준 및 칼페인 활성과 밀접하게 연관되어, TS-eEV의 신속한 대량 생산을 가능하게 함을 시사한다. 본 연구는 EV 기반 약물 개발 및 세포 치료를 위한 줄기세포 유래 EV 생산 분야에서 상당한 진전을 가져올 수 있을 것으로 기대된다.