The cell-instructed delivery system was designed to control the release behavior of cell by tuning the mechanical properties of the cell delivery carrier. First, alginate molecules were substituted with methacrylates and mixed with pure alginate molecules to prepare micro-gel crosslinked with Ca²⁺ ions. Then, the poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) was added to incorporate interpenetrating covalent cross-links in an ionically cross-linked alginate micro-gel. Controlling the degree of substitution of methacrylates and chemical cross-links tuned the alginate micro-gel with varying stiffness and toughness. This study discovered that the cells differentiated into neurons were hatching and released in the alginate micro-gel with W_T (work to fracture) of 213 J/m² and E (elastic modulus) of 7.5 kPa. Overall, the results of this study will be highly useful in designing cell-instructed delivery devices by systematically controlling the mechanical properties of the gel according to the cell traction force.

세포전달체의 기계적 물성을 조절하여 세포의 분화 정도에 따라 방출 제어가 가능한 세포주도형 전달시스템을 설계하였다. 먼저, 알지네이트 분자에 메타크릴레이트를 도입하고 순수 알지네이트 분자와 혼합하여, Ca²⁺ 이온으로 가교된 마이크로젤을 제조하였다. 또한 PEGDA를 첨가하여 이온가교와 함께 화학적 가교가 추가된 마이크로젤을 제조하였다. 메타크릴레이트의 접목도 및 화학적 가교 정도를 조절하여 다양한 강도와 인성을 갖는 마이크로젤을 제조할 수 있었다. 213 J/m²의 W_T(work to fracture)와 7.5 kPa의 E(elastic modulus)를 갖는 마이크로젤 시스템에서 신경세포로 분화가 진행된 세포가 젤을 깨고(hatching) 방출되는 것을 확인하였다. 본 연구에서 시도한 세포주도형 전달시스템은 세포견인력에 따라 젤의 기계적 물성을 체계적으로 제어한다면 다양한 세포에 적용 가능한 맞춤형 전달시스템으로 활용될 수 있으리라 기대된다.

Keywords: cell-instructed delivery, alginate micro-gel, work to fracture, elastic modulus, neuron cell.

면역세포, 줄기세포 등의 살아있는 자가(autologous), 동종(allogenic), 혹은 이종(xenogenic)의 세포를 질병의 치료, 진단 및 예방의 목적으로 사용하는 세포치료제(cell therapeutics)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.¹ 세포치료제의 효과를 극대화하기 위해, 세포를 안전하게 인체 내 목적부위로 전달 및 이식하는 세포전달시스템 연구도 새롭게 부각되고 있다.^2,3 일반적으로 세포전달시스템은 세포친화적 구조를 갖는 세포외기질(extracellular matrix) 유래 생체물질을 사용하여 세포를 부착 또는 내부에 봉입하여 세포를 외부자극으로부터 보호하고 증식(proliferation) 및 분화(differentiation)시켜 인체 내로 전달하게 된다.⁴ 이를 위해, 면역세포, 줄기세포, 신경성장세포 및 망막세포 등 다양한 세포에 적합한 맞춤형 세포전달체 연구가 진행되고 있다.^5,6 최근에는 다공성자성 하이드로젤에 세포를 부착하여 외부 자기장에 의해 세포전달을 제어한 연구가 보고되었다.⁷ 이와 같이, 세포는 일반 약물(drug)과는 달리, 성장, 증식 및 분화를 하기 때문에 전달체로부터 인체 내 목적부위로 최적의 때에 방출되도록 제어하는 기술이 요구된다.
이번 연구에서는 세포전달체의 기계적 물성을 조절하여, 세포의 분화 정도에 따라 방출 제어가 가능한 세포주도형(cell-instructed) 전달시스템을 설계하였다(Figure 1). Ca²⁺ 이온으로 가교된 알지네이트 마이크로젤(microgel, alginate-calcium chelate complex)을 사용하여 세포를 내부에 봉입하고 증식과 분화가 가능하도록 제조하였다. 고분자 또는 섬유보강제 첨가,⁸ 고분자 필름으로 젤 외부 코팅,⁹ Zn²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ 등 중이온 가교제 사용¹⁰ 및 젤 내부 IPN(interpenetrating network) 형성¹¹ 등의 다양한 방법으로 알지네이트 마이크로젤의 물성을 제어하는 연구가 진행되었다.
본 연구에서는 알지네이트 마이크로젤의 기계적 물성을 조절하기 위해, 알지네이트 분자에 메타크릴레이트(methacrylates)를 도입하고 순수 알지네이트 분자와 혼합하여 마이크로젤을 설계하였다. 나아가, 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트(poly(ethylene glycol)diacrylate, PEGDA)를 첨가하여 화학적 가교도 가능하도록 하였다. 알지네이트 분자에 도입된 메타크릴레이트 분자의 접목도(DS, degree of substitution),^12,13 순수 알지네이트 분자와의 혼합비 및 화학적 가교 정도를 조절하여 다양한 강도(stiffness)와 인성(toughness)을 갖는 마이크로젤을 제조할 수 있었다. 마이크로젤에 봉입된 세포는 증식(proliferation)과 분화(differentiation) 과정 중에 젤에 작용하는 견인력(traction force)이 증가하게 된다. 성장 중에 있는 세포는 젤 내부에 안전하게 봉입되어 있다가, 세포의 증식 및 분화 정도가 일정 수준 이상이 되면 젤을 깨고(hatching) 방출될 수 있는 세포주도형 전달시스템을 제조할 수 있었다. 모델 세포로 신경세포주(PC12)를 사용하였고 알지네이트 기반 세포전달체의 기계적 물성 및 내부 구조는 만능재료시험기, 주사전자현미경과 형광현미경을 통해 분석하였다. 본 연구에서 제안한 세포주도형 전달시스템은 세포치료제의 효과적인 전달 연구뿐 아니라 세포 및 조직 재생 연구 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.