연세대학교(총장 윤동섭) 화공생명공학과 함승주 교수 연구팀이 HER2 양성 유방암 유래 엑소좀을 포집할 수 있는 헤링본 패턴으로 배열된 3D 나노구조를 가지는 미세유체 칩을 개발했다. 이는 다양한 체액(혈장, 소변 등) 내에 존재하는 엑소좀을 높은 효율로 분리함으로써, HER2 과발현 유방암을 진단하고 모니터링 할 수 있는 기술을 구현했다.엑소좀은 세포 내에서 생성되어 외부로 방출되는 세포밖 소포체로, 크기가 30-150 나노미터(nm)로 세포간 신호 전달에 참여하는 것으로 보고되고 있다. 엑소좀은 모세포의 단백질, 핵산, 지질 등 다양한 생물학적 정보를 포함하고 있으며 지질 이중층으로 구성되어 매우 안정적으로 장기간 보관이 가능한 특징이 있다. 그러므로 액체 생검의 바이오마커로 주목 받고 있지만, 크기가 작고 이질성을 나타내어 고순도/농도로 분리하기 어려워 활용에 제한점이 있다.연세대 함승주 교수팀이 개발한 미세유체 칩은 패턴화된 3D 나노구조체를 가진 나노 칩 (Nano chip)으로, 패턴을 통해 미세유체 혼합을 유도하고 다공성 형태로 엑소좀과 구조체 표면 사이의 유체역학적 저항을 줄여 효과적으로 엑소좀을 포집한다. 이를 통해 혈장 및 소변에서 HER2 과발현 엑소좀을 선택적으로 포집하고 형광 신호로 검출함으로써 HER2 과발현 유방암 여부에 대해 파악할 수 있음을 확인하였다.연구팀은 균일한 크기로 합성된 실리카 나노 입자를 헤링본 패턴으로 적층하여 3D나노구조체를 형성하고, 엑소좀과 선택적으로 결합가능한 항체를 구조체 표면에 부착하여 기능화한 후 미세유체 칩 형태로 제작하였다. 이는 기존 비구조, 구조체에 비해 분리 효율이 97.7%까지 향상됨을 확인하였고, 엑소좀을 농축하여 포집하거나 형광으로 검출가능하다는 점을 입증하였다. 또한, 서로 다른 항체가 기능화된 나노 칩을 연결하여 소변 시료에서 다종 엑소좀을 포집할 수 있음을 검증하였다.이 연구를 통해 체액을 이용한 암 진단뿐만 아니라 예후, 치료 효과 및 재발에 대한 실시간 모니터링이 가능할 것으로 기대된다. 또한, 효과적인 엑소좀 포집을 통해 엑소좀의 이질성 및 신호 전달에 관한 연구에 기여할 수 있으며, 다양한 난치성 질환에 적용 가능할 것으로 예상된다.이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 미래기술연구실, 나노소재기술개발사업, 신변종감염병대응플랫폼핵심기술개발사업의 지원으로 함승주 교수 연구팀의 문병걸 연구원(공동 제1저자), 정혜인 연구원(공동 제1저자), 한국생명공학연구원의 임은경 박사(공동 교신저자)와 함께 진행됐으며, 세계적인 과학 분야 권위지 ‘케미컬 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal)’에 2월 15일자(현지시간)로 게재됐다.Yonsei University’s (President Dong-seop Yoon) department of chemical and biomolecular engineering Professor Seungjoo Haam's research team developed the Nano chip with 3D nanostructures arranged in a herringbone pattern, capable of capturing HER2-positive breast cancer-derived exosomes. This technology efficiently separated exosomes present in various body fluids such as plasma and urine, enabling the diagnosis and monitoring of HER2-overexpressing breast cancer.Exosomes are extracellular vesicles, 30-150 nanometers (nm) in size, that are produced inside cells and released to the outside, and are reported to be participating in intercellular signaling. Exosomes contain various biological information such as proteins, nucleic acids and lipids from the parent cells and are composed of a lipid bilayer, which allows for very stable long-term storage.The Nano chip developed by Professor Seungjoo Haam's team at Yonsei University is a microfluidic chip with a patterned 3D nanostructure. The microfluidic chip developed by Professor Ham Seung-ju's team at Yonsei University is a nanochip with a patterned 3D nanostructure. The nanochip effectively captures exosomes by inducing microfluidic mixing through the pattern and reducing hydrodynamic resistance between the exosomes and the surface of the structure in a porous form. It was confirmed that HER2-overexpressing breast cancer could be identified by selectively collecting HER2-overexpressing exosomes from plasma and urine and detecting them with fluorescence signals.The research team formed a 3D nanostructure by stacking uniformly sized silica nanoparticles in a herringbone pattern, functionalized it by attaching an antibody that can selectively bind to exosomes to the surface of the structure, and fabricated it in the form of a microfluidic chip. It was confirmed that the separation efficiency was improved to 97.7% compared to existing unstructured and solid structured chip, and it was demonstrated that exosomes could be concentrated and captured or detected by fluorescence. In addition, it was verified that multiple types of exosomes could be captured from urine samples by connecting nanochips functionalized with different antibodies.This study is expected to enable not only cancer diagnosis using body fluids, but also real-time monitoring of prognosis, treatment effectiveness and recurrence. In addition, effective exosome capture can contribute to research on exosome heterogeneity and signaling, and is expected to be applicable to various intractable diseases.This research was conducted with Researcher Byeonggeol Mun (co-first author) and Researcher Hyein Jeong (co-first author) of Professor Seungjoo Haam's research team and Dr. Eun-Kyung Lim (co-corresponding author) with the support by the Ministry of Science and ICT. The work was published in the prestigious journal of 'Chemical Engineering Journal’ on February 15 (local time).Chemical Engineering Journal (2024) (IF: 15.1)Published: February 15, 2024https://doi.org/ 10.1016/j.cej.2024.148851

연세대학교(총장 윤동섭) 화공생명공학과 함승주 교수 연구팀이 눈물 내 표적 단백질을 검출함으로서 알츠하이머 병 진단 뿐만 아니라 진행 단계를 모니터링 할 수 있는 유/무기 나노입자 기반의 면역분석법 (SNAFIA)을 개발했다.알츠하이머병은 가장 흔한 신경 퇴행성 질환으로 뚜렷한 치료제가 없기 때문에 증상의 발병과 진행을 늦추는 효과를 극대화하는 조기 진단이 더욱 중요하다. 알츠하이머병 진단은 임상 징후와 증상의 관찰, 신경 인지 기능 검사, 초기 단계를 반영할 수 있는 알츠하이머병 촉진 바이오마커의 변화를 검사하는 것을 기반으로 한다. 뇌 기능 영상과 뇌척수액 분석 방법 등이 있으나 시간과 비용이 많이 들고 침습적 개입이 필요하며 부작용이 발생할 수 있기에 저비용, 저침습 진단법이 요구되고 있다.연세대 함승주 교수팀이 개발한 센싱 플랫폼은 선정된 표적 단백질만을 선택적으로 검출할 수 있는 유/무기 나노 구조체 기반의 면역분석법으로, 자성 나노입자를 활용하여 표적 단백질을 분리 및 농축할 수 있는 시스템과 고분자 나노입자를 활용하여 일대다 염료 방출을 통한 신호 증폭 시스템의 통합으로 설계 되었다 .연구팀은 고민감 신호 증폭 시스템 설계를 위해 친수성 내부와 소수성 막을 갖는 고분자 나노구조체를 합성하였으며 소수성 막 내부에 FRET 염료 분자를 담지하여 형광 표지제로 적용하였다. FRET 염료 분자들은 표적 단백질이 존재 하는 조건에서 방출되어 증폭된 형광 신호를 발생시키고 이외의 경우에는 소수성 막 내부에 갇혀 비특이 신호가 감소하도록 설계되었다. 실제로 상용화된 형광 표지제와 그 성능을 비교했을 때, 약 10 배 이상의 향상된 검출 수준을 보였으며 유/무기 나노입자 기반의 시스템 통합으로 높은 신호 대 잡음비 성능을 달성했다. 나아가 다양한 표적 단백질에 적용을 위해 맞춤형 항체로 표면 개질된 나노 구조체를 적용한 SNAFIA 테스트는, 실험실 플레이트 판독기를 사용하여 1 시간 이내에 아토몰 농도로 질병 관련 단백질을 검출할 수 있었으며, 액체 인간 생검에서 우수한 민감도와 선택도를 확보하였다.특히, 이번 연구의 핵심은 39개의 임상 눈물 샘플을 대상으로 SNAFIA를 수행했을 때, 경도 인지 장애 집단과 알츠하이머 환자 집단이 건강한 집단에 비해 유의미한 신호 증가를 보인점에 있다. 아직 개념 증명 역할을 하는 수준이나, SNAFIA의 임상적 잠재력을 종합적으로 검증하기 위해서는 보다 광범위한 임상 조사가 필요하며 향후 대규모 임상 연구를 통해 견고한 결과를 얻어낸다면, SNAFIA는 간편하고 빠르며 눈물을 이용한 다양한 단백질 마커에 대해 높은 진단 정확도를 제공하므로 알츠하이머병 조기 진단을 위한 유망한 도구가 될 것으로 기대할 수 있다.이번 연구는 보건복지부에서 주관한 보건의료기술연구개발 사업을 시작으로 과학기술정보통신부에서 주관하는 신변종감염병대응플랫폼핵심기술개발사업, 나노소재기술개발사업의 지원을 받아 함승주 교수 연구팀의 이소정 연구원(제 1저자), 용인 세브란스병원의 지용우 교수(공동 교신저자), 강남 세브란스병원의 조한나 교수(공동 교신저자)와 함께 진행됐으며, 세계적인 과학 분야 권위지 (IF=16.6) ‘Nature Communications’에 23년 12월 9일(현지시간) 게재됐다.A research team led by Prof. Seungjoo Haam of the Department of Chemical and Biological Engineering at Yonsei University (President Dong-seop Yoon) has developed an amplified fluorogenic immunoassay for early detection and monitoring of Alzheimer’s disease from tear fluid.Alzheimer's disease stands as the prevailing neurodegenerative disease with an absence of definitive remedies, accentuating the imperative for early detection to optimize therapeutic efficacy in mitigating symptom onset and progression. Diagnosis of Alzheimer's hinges upon meticulous clinical observation, neurocognitive assessment, and scrutiny of biomarkers implicated in its pathogenesis, offering insights into incipient stages. While conventional diagnostic modalities encompass brain imaging and cerebrospinal fluid analysis, their application is marred by protracted procedures, substantial costs, invasiveness, and potential adverse effects, underscoring the exigency for a cost-effective, minimally invasive diagnostic tools.The sensing platform developed by the team of Professor Seungjoo Haam at Yonsei University is an immunoassay based on organic and inorganic nanostructures that can selectively detect only selected target proteins, and is designed by integrating a system that can separate and concentrate target proteins using magnetic nanoparticles and a signal amplification system through one-to-many dye release using polymeric nanoparticles.To design the signal amplification system, the research team synthesized polymeric nanostructures with hydrophilic interior and hydrophobic membrane, and applied FRET dye molecules inside the hydrophobic membrane as fluorescent labels. The FRET dye molecules were designed to be released in the presence of the target protein, resulting in an amplified fluorescence signal, and to be confined inside the hydrophobic membrane in other cases, reducing the non-specific signal. In fact, when comparing its performance with commercially available fluorescent labeling agents, an improved detection level of about 10 times or more was obtained, and high signal-to-noise ratio performance was achieved by system integration based on organic and inorganic nanoparticles. Furthermore, the SNAFIA test using nanostructures surface-modified with antibodies for application to various target proteins was able to detect disease-related proteins at attomolar concentrations within 1 hour using a laboratory plate reader, and achieved excellent sensitivity and selectivity in liquid human biopsies.A key finding of the study was that when SNAFIA was performed on 39 clinical tear samples, the mild cognitive impairment group and the Alzheimer's patient group showed a significant increase in signal compared to the healthy group. While still serving as a proof of concept, more extensive clinical investigations are needed to comprehensively validate the clinical potential of SNAFIA, and if robust results are obtained in future large-scale clinical studies, SNAFIA could be a promising tool for early diagnosis of AD as it is simple, fast, and provides high diagnostic accuracy for a variety of protein markers using tears.This research was conducted by Dr. Sojeong Lee (first author) along with Prof. Seungjoo Haam’s research team, Prof. Yong Woo Ji (co-corresponding author), and Prof. Hanna Cho (co-corresponding author) with the support of the Korea Healthcare Technology Research and Development Project funded by the Ministry of Health and Welfare, the Nanomaterial Technology Development Project and Emerging Infectious Disease Response Platform Core Technology Development Project promoted by the Ministry of Science and ICT. The work was published on December 9, 2023 (local time) in the prestigious journal of ‘Nature communications’.Nat. Commun. (2023) (IF: 16.6)Published: December 09, 2023https://doi.org/10.1038/s41467-023-43995-5

연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 함승주 교수 연구팀이 자성 입자 활용하여 다중 분리를 통해 HER2 과발현 유방암 유래 엑소좀을 분리 및 검출할 수 있는 미세 유체 칩을 개발했다.엑소좀은 세포 내에서 생성 되어 외부로 방출되는 소포밖 소포체 중 하나이다. 엑소좀은 30-150 나노미터 (nm) 크기로 모세포의 단백질, RNA, DNA 등의 다양한 생체물질을 포함하고 있으며 매우 안정적으로 유지된다. 체액 속의 엑소좀 분석은 최근 혁신적이고 유망한 액체 생검 방법으로 최근 주목 받고 있으나, 기존 방식으로는 분석에 적합한 농도의 엑소좀을 체액 속의 다양한 불순물로부터 얻는 것이 어렵다.연세대 함승주 교수팀이 개발한 미세 유체 칩은 자성 나노입자를 이용하여 다종 엑소좀을 서로 다른 자화도로 표지하고, 미세유체 칩 내부에서 자화도 차이에 따라 다중 분리한다. 이를 통해 체액 속에서 질환 유래 엑소좀과 비표적 엑소좀을 분리할 수 있어, 질환 유래 엑소좀을 통해 정확한 질환 진단이 가능하며 비표적 엑소좀을 내부통제군(internal control)으로 활용하여 효과적인 모니터링이 가능하다.연구팀은 다양한 자화도를 나타내는 자성 나노입자를 합성하고, 이에 질환 유래 엑소좀과 비표적 엑소좀에 표지되도록 항체를 결합하였다. 미세유체 칩 내부에서 외부 자기장에 의한 자화 표지된 엑소좀의 거동을 최적화하고 분리 효율에 대해 확인하였다. 소변 내 HER2 과발현 엑소좀과 비표적 엑소좀을 동시에 분리하여 치료 효과에 대한 실시간 모니터링에 대해 입증하였다.이 연구를 통해 체액으로부터 분리한 엑소좀으로 암 진단 및 약물 치료 효과 모니터링이 가능할 것으로 기대되며, 바이오마커 선정에 따라 암 뿐만 아니라 다양한 난치성 질환에 활용 가능할 것으로 예상된다.이번 연구는 과학기술정보통신부에서 주관하는 나노소재기술개발사업, 바이오·의료기술개발사업, 신변종감염병대응플랫폼핵심기술개발사업, 환경부에서 추진하는 생물학적위해인자관리기술개발사업의 지원으로 함승주 교수 연구팀의 문병걸 연구원(제1저자), 한국생명공학연구원의 임은경 박사(공동 교신저자)과 함께 진행됐으며, 세계적인 과학 분야 권위지 ‘바이오 센서 앤 바이오 일렉트로닉스 (Biosensors & Bioelectronics)’에 11월 1일자(현지시간)로 게재됐다.Yonsei University’s (President Seung-Hwan Seo) department of chemical and biomolecular engineering Professor Seungjoo Haam's research team developed an immuno-magnetophoresis-based microfluidic chip to isolate and detect HER2-Positive cancer-derived exosomes via multiple separation.Exosomes are extracellular vesicles produced inside cells and released to the outside.Exosomes are a type of endoplasmic reticulum that is produced inside the cell and released to the outside. Exosomes are 30-150 nanometers (nm) in size and contain various biological substances from the parent cells, such as proteins, RNA and DNA, and are maintained in a very stable form. The analysis of exosomes in body fluids has recently attracted attention as an innovative and promising liquid biopsy method. However, obtaining exosomes of appropriate concentration for analysis from contaminants has been a limitation of existing methods.The microfluidic chip developed by Professor Ham Seung-joo's team at Yonsei University uses magnetic nanoparticles to label multiple types of exosomes with different degrees of magnetization, and separates them multiple times according to the differences in magnetization within the microfluidic chip. This allows disease-derived exosomes and non-target exosomes to be separated in body fluids, enabling accurate disease diagnosis by disease-derived exosomes and effective monitoring by using non-target exosomes as an internal control group.The research team synthesized magnetic nanoparticles with different degrees of magnetization and combined them with antibodies to label disease-derived exosomes and non-target exosomes. The behavior of the magnetically labeled exosomes was optimized by an external magnetic field inside the microfluidic chip and the separation efficiency was confirmed. Real-time monitoring of treatment effect was demonstrated by simultaneous separation of HER2-overexpressing exosomes and non-targeted exosomes in urine.This study is expected to enable cancer diagnosis and monitoring of drug treatment effects using exosomes isolated from body fluids, and depending on the selection of biomarkers, it is expected to be used not only for cancer but also for various incurable diseases.This research was conducted with Researcher Byeonggeol Mun (first author) of Professor Seungjoo Haam's research team, and Dr. Eun-Kyung Lim (co-corresponding author) with the support by the Ministry of Science and ICT and Ministry of Environment. The work was published in the prestigious journal of 'Biosensors & Bioelectronics’ on November 1 (local time).Biosensors and Bioelectronics (2023) (IF: 12.625)Published: november 01, 2023https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115592

연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 홍진기 교수 연구팀이 천연 고분자의 가교 조절을 통해 다양한 도축 부위의 관능 특성을 구현할 수 있는 배양육 소재를 개발했다.배양육은 실험실에서 인공적으로 생산하는 육류로, 도축과 자원 소모를 최소화할 수 있는 지속 가능한 육류로 떠오르고 있다. 배양육의 궁극적인 목표는 도축육이 갖는 다양한 물리적, 생물학적 특성을 모사하여 체외 배양으로 도축육의 감각적 특성을 달성하는 것이다. 그러나 아직까지 세포 배양을 통해 여러 조직이 결합되어 복합적인 향미와 식감을 발현하는 도축육의 관능적인 특징을 구현하는 데에는 한계가 있다.이에 연세대 홍진기 교수 연구팀은 콜라겐 유래 고분자인 젤라틴과 갈조류 유래 다당류인 알긴산으로 구성된 세포 배양 지지체를 개발했다. 특히 알긴산의 카르복실기와 양이온이 만나 이온결합을 형성하여 알긴산 사슬의 구조 변화가 나타나는 .점을 활용해 지지체의 기계적 강도를 달리하였다. 알긴산의 이온 가교도가 조절되면 하이드로겔의 기계적 강도가 달라지는데, 이를 이용하여 근육 조직의 영률 (~12 kPa)에 도달한 지지체와 지방 조직의 영률 (~3 kPa)에 도달한 지지체를 제조하고, 근육 세포와 지방 세포의 분화 거동을 조절하였다.도축육의 식감과 향미 등의 관능적 특성과 영양항적 특성은 근조직과 지방 조직의 생물학적 특성에서 기인하기 때문에, 연세대 홍진기 교수 연구팀은 지지체를 이용해 조절된 세포의 분화 거동이 다양한 관능 및 영양학적 특성에도 영향을 줄 것으로 가정하였다. 결과적으로, 물성에 따라 근분화와 지방분화 정도가 다른 배양육을 제조하였을 때 식감과 향미, 영양학적 특성이 유의미하게 달라지며 두 세포의 분화 정도가 최대화된 배양육에서 도축 소고기의 특성이 나타남을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로, 근분화가 증가된 배양육과 지방분화가 증가된 배양육의 공유 결합을 유도하여 다양한 도축 부위의 관능 특성을 구현할 수 있는 배양육 제조 기술을 개발했다.연세대 홍진기 교수 연구팀은 이번 연구가 기존 배양육 연구에서 집중하지 않았던 도축육의 관능 특성 구현을 최초로 보고하였다는 점에서 차별성이 있으며, 향후 배양육 생산에 폭넓게 적용될 수 있는 초석기술로 기대한다고 밝혔다.연세대 홍진기 교수는 “이번 연구는 고분자 기반 소재의 특성을 조절하는 화학공학 기술이 생명공학 기술, 식품 공학 기술과 융합되어 미래 식품 분야에도 적용될 수 있음을 보여주었다”고 전하며, “앞으로도 우리 연구팀의 다양한 소재 기술을 활용해 배양육 산업의 발전에 기여할 수 있는 연구를 이어 나갈 것" 이라고 덧붙였다.본 연구는 대한민국 산업통상자원부(MOTIE), 한국연구재단(NRF), 국방기술진흥연구소의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구는 홍진기 교수 연구팀의 이미래 박사과정생(제 1저자)가 진행했으며, 국제 학술 권위지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 1월 2일자(현지시간)로 게재됐다.A research team led by Prof. Jinkee Hong of the Department of Chemical and Biomolecular Engineering at Yonsei University (President Seung-Hwan Seo) has developed a cultured meat material that can mimic the sensorial characteristics of various slaughtered cuts of meat through controlling the cross-linking degree of alginic acid.Cultured meat, produced artificially in laboratories, is emerging as a sustainable meat that minimizes slaughter and resource consumption. The ultimate goal of cultured meat is to achieve the sensorial characteristics and nutritional value of slaughtered meat through in vitro cultivation, mimicking the diverse physical and biological properties of slaughtered meat. However, there are limitations in replicating these features of slaughtered meat through cell cultivation, because the properties of slaughtered meat involve the complex interplay of various tissues.To address this challenge, Prof. Jinkee Hong’s research team at Yonsei University developed a cell culture scaffold composed of collagen-derived polymer gelatin and alginic acid, a polysaccharide derived from algae. They specifically manipulated the mechanical strength of the scaffold by utilizing the interaction between carboxyl groups in alginic acid and cations, causing structural changes in the alginic acid chain. By adjusting the ionic cross-linking of alginic acid, they developed the scaffolds reaching the mechanical stiffnesses of muscle tissue (~12 kPa) and fat tissue (~3 kPa). Using these scaffolds, the differentiation behaviors of bovine muscle cells and fat cells were precisely regulated.Since the organoleptic and nutritional characteristics of slaughtered meat originate from the biological properties of muscle and fat tissues, the research team hypothesized that the controlled differentiation behavior of cells using the scaffolds would impact various sensorial and nutritional attributes. Consequently, they confirmed significant differences in texture, flavor, and nutritional characteristics when producing cultured meat with different degrees of muscle and fat differentiation. Finally, covalent cross-linking was induced between the cultured meats containing increased muscle differentiation and increased fat differentiation, resulting a novel assembled cultured meat which can mimic the organoleptic characteristics of diverse slaughtered meat cuts.Prof. Jinkee Hong stated, "This study demonstrates the integration of chemical engineering technology in adjusting the properties of polymer-based materials with the fields of life sciences and food engineering. It highlights the potential application of our diverse material technologies to contribute to the advancement of the cultured meat industry.“This research was conducted with the support of the Ministry of Trade, Industry, and Energy (MOTIE), the National Research Foundation (NRF), and the Agency for Defense Development. The study was conducted by Milae Lee (first author, PI: Prof. Jinkee Hong) and was published in the prestigious journal, Nature Communications, on January 2nd, 2024 (local time).Nature Communications (2023) (IF: 16.6)Published: January 2nd, 2024https://www.nature.com/articles/s41467-023-44359-9

연세대학교(총장 윤동섭) 화공생명공학과 홍진기 교수 연구팀이 임계 크기의 골 결손 (critical-sized bone defect)의 효과적인 치료를 위하여 다중 약물을 방출하는 블록 기반 플랫폼을 개발하였다.임계 크기의 골 결손이 발생하면, 임플란트와 골 대체제를 이용하여 치조골 재생 능력을 높이는 치료가 필요하다. 특히, 골재생 분야에서 제2형 골현성단백질 (bone morphogenetic protein-2, BMP-2)라고 불리는 성장인자를 도입하여 임상적으로 골이식술, 골유도재생술 등 여러 술식에서 이용하고 있다.그러나, 기존 BMP-2의 전달 방식은 대부분 이식 후 과잉 방출되는 등 제어되지 않고 불규칙하여 심한 부종, 신생물, 낭종 형성과 같은 조직 형성 및 파골세포 흡수를 포함한 임상적 합병증을 유발할 수 있어 임상적 사용이 제한적이다. 또한, 이러한 성장인자의 방출이 이식 직후인 염증 단계 (inflammatory phase)에 대부분 이루어지면서 성장인자의 효과를 감소시킨다.연세대 홍진기 교수팀이 이와 같은 문제를 해결하고자 개발한 블록 기반 플랫폼은 이상 인산칼슘 (biphasic calcium phosphate, BCP) 블록 내부에 약물이 담지되어 있는 젤라틴 마이크로 입자를 탑재하고, 블록 표면을 젤라틴 기반 필름으로 코팅하여 약물 방출을 조절함으로써 효과적인 골 형성 효과를 보여주었다. 연구팀은 젤라틴 마이크로 입자의 분해도를 조절하여 최적의 항생제와 성장 인자 방출 거동을 보이는 입자를 설계하였다. 블록 이식 초반에는 염증 반응을 줄이기 위하여 분해 속도가 빠른 젤라틴 마이크로 입자에서 항생제가 신속하게 방출되고, 이식 후에는 분해 속도가 느린 젤라틴 마이크로 입자에서 성장 인자가 지속적으로 방출되어 성공적인 골 재생 효과를 입증하였다.최종적으로, 해당 플랫폼의 성능을 하악 결손 동물실험 모델에서 검증함으로써, 항생제와 성장인자의 치료 단계에 따른 순차적인 방출을 통해 성공적인 골 재생 효과를 확인하였다. 특히, 초기 항생제로 인한 염증 반응의 감소로 인해 수술 후 초기 부종이 줄어들었고, 이후 지속적인 성장인자의 방출로 인해 신생골 형성을 촉진하여 기존 치료법으로는 치료할 수 없었던 큰 부피의 골 결손도 치료할 수 있는 가능성을 제시하였다.연세대 홍진기 교수는 “해당 연구를 통해 항생제와 성장인자의 순차적 치료가 골 재생에 미치는 효과를 입증함으로써, 하악 결손 동물 모델에서의 새로운 치료 전략을 제시하였다. 이러한 결과는 골 결손 치료에 대한 새로운 지평을 열면서 동시에 미래의 임상 응용에 대한 중요한 기초를 제공할 것으로 기대된다“ 고 전했다.본 연구는 한국연구재단 (NRF), 국가신약개발재단 (KDDF), 한국보건산업진흥원 (KHIDI)의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구는 홍진기 교수 연구팀의 김지유 박사과정생(제1저자), 박소현 박사(제1저자)가 연세대학교 치과대학 박진영 교수(제1저자)와 함께 진행하였으며, 세계적인 과학 분야 권위지 ‘나노 투데이 (Nano Today)’에 1월 5일자(현지시간)로 온라인 게재됐다.Yonsei University’s (President Dong-Sup Yoon) department of chemical and biomolecular engineering Professor Jinkee Hong's research team developed a novel multi-drug release dual-phase blocks for regeneration of critical-sized bone defects.When a critical size bone defect occurs, treatment to increase the alveolar bone regeneration ability using implants and bone replacements is required. In particular, a growth factor called bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) has been introduced in the field of bone regeneration and is clinically used in various procedures such as bone transplantation and bone-induced regeneration.However, most of the existing delivery methods of BMP-2 are uncontrolled and irregular, such as excessive release after transplantation, which can lead to clinical complications including severe edema, neoplasia, tissue formation such as cyst formation, and osteoclast uptake, so its clinical use is limited. In addition, the release of these growth factors mostly takes place in the inflammatory phase immediately after transplantation, reducing the effect of growth factors.The dual-phase block platform developed by Professor Jinkee Hong’s team at Yonsei University to solve this problem has shown an effective bone formation effect by loading gelatin microparticles containing drugs inside a block of biophilic calcium phosphate (BCP), and coating the surface of the block with a gelatin-based film to control drug release. The research team designed particles showing optimal antibiotic and growth factor release behavior by controlling the decomposition of gelatin microparticles. In order to reduce the inflammatory response at the beginning of block transplantation, antibiotics were quickly released from gelatin microparticles with a high decomposition rate, and after transplantation, growth factors were continuously released from gelatin microparticles with a slow decomposition rate, demonstrating a successful bone regeneration effect.Finally, the performance of the platform was verified in the mandibular defect animal experimental model, and the successful bone regeneration effect was confirmed through the sequential release of antibiotics and growth factors according to the treatment stage. In particular, the initial swelling decreased after surgery due to the decrease in the inflammatory response due to the initial antibiotic, and the possibility of treating even large-volume bone defects that could not be treated with conventional treatments was suggested by promoting nephrotic bone formation due to the continuous release of growth factors.Professor Jinkee Hong at Yonsei University said, "By demonstrating the effect of sequential treatment of antibiotics and growth factors on bone regeneration through this study, we presented a new treatment strategy in the mandibular defect animal model. These results are expected to open new horizons for the treatment of bone defects while providing an important basis for future clinical applications.“This research was conducted with the support of the National Research Foundation (NRF), Korea Drug Development Fund (KDDF), and Korea Health Industry Development Institute (KHIDI). The study was conducted by Jiyu Kim (first author) and Dr. Sohyeon Park (first author) with Prof. Jin-Young Park (first author) of Yonsei University College of Dentistry, and published online in the prestigious scientific journal ‘Nano Today' on January 5th (local time).Nano Today (2024) (IF: 17.4)Published: January 05, 2024https://doi.org/10.1016/j.nantod.2023.102120