그래핀 옥사이드(GO)는 생체적합성이 있는 물질로, 유리한 줄기세포 배양 기질로 간주된다. 본 연구에서는 조직 배양 폴리스티렌(PT) 표면에 GO를 용이하게 침착시키기 위하여 GO를 폴리도파민(PDA)으로 변형하였고, 다능성 배아줄기세포(ESCs)에서 PDA/GO 복합체의 골형성(osteogenic) 성능을 조사하였다. PDA/GO 코팅 PT 표면의 표면 화학적 특성은 주사전자현미경(SEM)과 X선 광전자분광법(XPS)을 통해 분석하였다. 처음으로 PDA/GO 복합체 코팅 표면에서 배양한 ESC의 높은 세포 생존율을 확인하였다. 이후, PDA/GO 기질에 대한 ESC의 골형성 분화는 알칼라인 포스파타아제(ALP) 활성, 세포내 칼슘 수준, 매트릭스 광물화 분석, 그리고 골형성 인자의 mRNA 및 단백질 수준의 평가를 통해 분석하였다. PDA/GO 기질에서 배양한 ESC는 무코팅 대조 표면에서 배양한 경우보다 더 높은 골형성 능력을 보였다. 또한 ESCs는 대조군과 비교하여 PDA/GO 기질에서 배양 시 integrin α5 및 β1, 그리고 골형성 단백질 수용체(bone morphogenetic protein receptor, BMPR) I형 및 II형의 발현이 유의하게 더 높았다. PDA/GO 기질에서 배양한 ESC에서는 세포외 신호 조절 키나아제(extracellular signal-regulated kinase, ERK)1/2, p38, 및 c-Jun-N-terminal kinase(JNK) MAPK(mitogen-activated protein kinase)들의 인산화가 관찰되었다. 더 나아가, PDA/GO 기질에서는 대조군에 비해 SMAD1/5/8 인산화를 통한 BMP 신호 전달이 더 크게 증가하였다. 세포에서의 SMAD1/5/8의 핵 내 이동 또한 PDA/GO 기질에 반응하여 처리되었다. integrin α5/β1, MAPK 또는 SMAD 신호전달 경로의 활성화를 차단하면 PDA/GO에 의해 유도된 ESC의 골형성 분화가 하향 조절되었다. 이러한 결과는 PDA/GO 복합체가 integrin α5/β1, MAPK 및 BMPR/SMAD 신호전달 경로를 통해 ESC의 골형성 분화를 자극함을 시사한다.

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