배경: 고령 인구가 증가함에 따라 골다공증을 앓는 환자의 수가 늘어나고 있다. 이러한 골 재생 전략을 조사할 필요성이 자연스럽게 대두된다. 골 재생을 유도하는 접근법 중 하나는 체세포의 상사이질전환(somatic cell transdifferentiation)이다. 상사이질전환의 전사 조절인자(transcriptional regulators) 가운데, 옥타머 결합 전사인자 4(octamer-binding transcription factor 4, OCT4)는 줄기세포의 다능성(pluripotency) 조절에서의 역할로 잘 알려져 있다. 골형성 단백질 4(bone morphogenetic protein 4, BMP4) 또한 골형성(osteogenic) 분화에 중요한 역할을 하는 것으로 알려진 또 다른 인자이다. 선행 연구에서는 이들 인자를 바이러스 및 플라스미드 전달을 통해 세포를 골아세포(osteoblast)로 상사이질전환시키는 데 성공하였다. 이러한 방법들은 효율적이지만, 바이러스 및 플라스미드 형질감염(transfection)은 영구적인 유전자 삽입과 세균 DNA 삽입과 같은 안전성 문제를 동반한다. 이에 본 연구에서는 OCT4 재조합 단백질의 핵 전달과 BMP4 처리를 결합하여, 내피세포를 골아세포로 상사이질전환을 유도하기 위한 세포 침투 단백질 기반 전략을 개발하였다. OCT4 단백질의 핵 전달을 위해, 해당 단백질을 세포 침투 및 단백질 안정화를 제공하는 Bombyx mori의 누에 혈림프(silkworm hemolymph) 유래 단백질인 30Kc19와 융합하였다. 30Kc19는 세포독성이 낮다. 본 연구는 기존의 상사이질전환 접근법에서 발생하던 안전성 문제 없이, 유망한 세포 기반 치료 가능성을 제안한다. 방법: 높은 침투 활성과 안정성을 갖는 OCT4-30Kc19 단백질을 단백질 기반 골형성 상사이질전환 시스템을 위해 합성하였다. 세포를 OCT4-30Kc19 및 BMP4로 처리하여, 시험관 내에서 세포 침투 활성, 세포독성, 골형성 및 혈관형성 잠재력을 평가하였다. 3차원(3D) 세포 구형체(spheroids)의 골형성 잠재력 또한 분석하였다. 아울러 피하(subcutaneous) 조직 내 세포 전달과 두개골 결손(cranial defect) 모델에서 in vivo 세포 전달을 수행하였다. 결과: OCT4-30Kc19 단백질은 용해성 있고 안정적인 형태로 생산되었다. OCT4-30Kc19는 세포에 효율적으로 침투하였으며, 세포 내 구획과 핵에서 국소화되었다. OCT4-30Kc19 단백질과 BMP4를 함께 전달한 세포는 2D 및 3D 배양 모두에서 골형성이 증가하였고, 시험관 내에서 혈관형성 능력 또한 증가하였다. 피하 조직 내 세포 적재(scaffold-seeded) 전달에서의 in vivo 결과는 OCT4-30Kc19 및 BMP4를 모두 처리할 경우 상사이질전환된 HUVEC의 골형성 특성이 향상됨을 확인하였다. 또한 두개골 결손에서의 in vivo 마우스 실험은, OCT4-30Kc19 및 BMP4로 전처리한 HUVEC에서 골 재생이 성공적으로 나타났음을 보여주었다. 결론: 단백질 기반 상사이질전환 방법을 사용하면 유전적 변형 전략을 활용하지 않는 대안적 접근을 제공할 수 있으며, 따라서 임상 적용에서 세포 기반 치료의 더 안전한 사용 가능성을 제시한다.

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