Hydrogel dimensionality directs mechanics-dependent nascent matrix deposition by tendon fibroblasts

건은 근육과 뼈를 연결하여 우리가 힘 있고 정밀하게 움직일 수 있게 해주는 단단하고 밧줄 같은 조직입니다. 이 조직 내부에서는 건 섬유아세포(tendon fibroblast)라고 불리는 특화된 세포들이 건설 현장의 작업반처럼 끊임없이 세포외 기질을 구축하고 수리합니다. 이 기질은 주로 콜라겐으로 이루어진 복잡한 단백질 골격으로, 건의 구조와 힘을 견딜 수 있는 능력을 부여합니다. 이 세포들이 업무를 올바르게 수행하기 위해서는 주변의 물리적 환경을 감지할 수 있어야 합니다. 세포들은 자신들이 박혀 있는 재료의 딱딱함(stiffness)을 느끼고 그에 따라 행동을 조调整합니다. 만약 환경이 너무 부드럽거나 너무 딱딱하거나, 혹은 세포가 움직이지 못하도록 갇히게 되면 건설 작업에 문제가 생겨 부상이나 불량한 치유로 이어질 수 있습니다. 세포가 물리적 주변 환경을 정확히 어떻게 해석하는지 이해하는 것은 건 부상에 대한 더 나은 치료법을 개발하고 손상된 조직을 보조할 인공 재료를 설계하는 데 매우 중요합니다.

과학자들은 표면의 딱딱함이 세포의 행동에 영향을 미친다는 사실을 오래전부터 알고 있었지만, 그 규칙은 세포가 평평한 표면에 앉아 있는지 아니면 3차원 젤 안에 떠 있는지에 따라 달라집니다. 평평한 2차원의 세계에서 세포는 일반적으로 더 딱딱한 표면에 놓였을 때 더 많이 퍼지고 더 활발해집니다. 그러나 세포가 3차원 젤 안에 갇혀 있을 때는 규칙이 뒤집히는 경우가 많습니다. 즉, 더 딱딱한 젤이 오히려 세포를 압박하여 세포가 퍼지거나 제 역할을 하는 것을 어렵게 만들 수 있습니다. 펜실베이니아 대학교와 미시간 대학교의 연구진은 이 새로운 연구를 통해 이러한 서로 다른 규칙이 건 섬포아세포에 어떻게 적용되는지, 특히 이 세포들이 만드는 새로운 기질에 어떤 영향을 미치는지 알아보고자 했습니다. 연구팀은 환경의 차원성(dimensionality)—즉, 평면 대 3차원—이 건 세포의 반응과 새로운 기질 침착 방식에 변화를 주는지 알고 싶었습니다.

이를 조사하기 위해 연구진은 체내에 존재하는 천연 물질인 히알루론산을 이용해 만든 특수 젤을 사용했으며, 이 젤의 딱딱함을 정밀하게 조절할 수 있도록 변형했습니다. 연구진은 생쥐 꼬리 건에서 추출한 건 섬유아세포를 배양하여 두 가지 서로 다른 설정에 배치했습니다. 첫 번째 설정에서는 세포를 10 및 25 킬로파스칼(kPa)의 딱딱함을 가진 평평한 젤 위에 배양했습니다. 두 번째 설정에서는 5, 10, 50 킬로파스칼의 딱딱함을 가진 3차원 젤 내부에 세포를 가두어 배양했습니다. 세포가 만드는 새로운 물질을 정확히 확인하기 위해 과학자들은 영리한 라벨링 기술을 사용했습니다. 세포에 당 분자를 공급하여 세포가 새로 구축한 단백질에 이 당을 통합하도록 했습니다. 그 후, 이 당에 특이적으로 결합하는 빛나는 태그를 추가함으로써 세포 주변에 갓 생성된 신생 기질(nascent matrix)을 관찰할 수 있었습니다.

평평한 2차원 배양에서 결과는 예상된 패턴을 따랐습니다. 세포가 더 딱딱한 젤 위에 있을 때, 세포는 더 넓게 퍼지며 더 납작하고 커졌습니다. 이러한 확장은 세포 내부 신호 전달의 변화, 구체적으로는 성장과 기질 생산의 스위치 역할을 하는 YAP 단백질의 핵 내 이동을 동반했습니다. 그 결과, 25 킬로파스칼의 더 딱딱한 젤 위의 세포들은 10 킬로파스칼의 부드러운 젤 위의 세포들보다 유의미하게 더 많은 새로운 기질을 침착했습니다. 연구진은 새로운 기질이 세포 근처의 작은 점으로 시작하여 결국 연속적인 섬유 네트워크로 성장하는 과정을 관찰했는데, 이 과정은 딱딱함의 정도와 관계없이 시간이 지남에 따라 일어났으나 딱딱한 표면에서 전체 양이 더 많았습니다.

3차원 젤 안에 세포를 배치했을 때는 이야기가 완전히 달라졌습니다. 여기서는 딱딱함과 세포 행동 사이의 관계가 역전되었습니다. 5와 10 킬로파스칼의 더 부드러운 젤에 있는 세포들은 가장 딱딱한 50 킬로파스칼의 젤에 있는 세포들에 비해 더 많이 퍼질 수 있었고 핵 내 YAP 단백질 수치도 더 높게 나타났습니다. 딱딱한 3D 젤 속의 세포들은 재료의 촘촘한 네트워크에 갇혀 작고 둥근 형태를 유지했습니다. 결과적으로, 딱딱한 3D 젤에서 생성된 새로운 기질의 양은 부드러운 젤에 있을 때보다 적었습니다. 흥ari롭게도, 10 킬로파스칼 젤의 세포들은 5 킬로파스칼 젤의 세포들보다도 더 많은 새로운 기질을 생성했는데, 이는 3차원에서는 기질 생성에 있어 평면 배양의 경향과는 구별되는 최적의 딱딱함이 존재함을 시사합니다.

연구진은 세포가 무엇을 만들 계획인지 이해하기 위해 세포 내부의 유전적 지침을 살펴보았습니다. 그들은 부드러운 3D 젤 속의 세포들이 콜라겐 타입 I 및 테나신 C(tenascin C)와 같이 건강한 건 형성과 관련된 유전자들을 활성화한다는 것을 발견했습니다. 반면, 딱딱한 50 킬로파스칼 젤 속의 세포들은 이러한 건 특이적 유전자들을 억제하는 대신, 건과는 덜 유사한 상태를 보이는 징후를 보였습니다. 이들은 건 세포의 주변 환경(pericellular environment)을 형성하는 특정한 콜라겐은 적게 생성하고, 대신 기저막에서 흔히 발견되는 다른 유형의 콜라겐을 더 많이 생성했습니다. 이러한 유전적 프로그래밍의 변화는 딱딱한 젤의 물리적 구속이 세포의 정체성과 기능 수행 능력에 근본적으로 영향을 미치고 있음을 확인시켜 주었습니다.

이 연구는 환경의 차원성이 건 세포가 주변 환경을 감지하고 반응하는 데 있어 결정적인 요소임을 강조합니다. 평면 배양에서는 더 딱딱한 표면이 기질 생성을 촉진하지만, 딱딱한 3차원 젤은 세포를 물리적으로 제한하고 유전적 프로그램을 변화시킴으로써 오히려 이를 억제할 수 있습니다. 이는 단순히 재료를 더 단단하게 만드는 것이 항상 조직 재생을 장려하는 정답은 아님을 시사합니다. 대신, 건 치유를 위한 생체 재료 설계는 조직의 3차원적 특성을 고려해야 하며, 재료가 세포를 퍼지게 하고 건 형성 유전자를 활성화할 수 있을 만큼 충분히 부드러우면서도, 견고한 새로운 기질 형성을 뒷받침할 수 있을 만큼 구조적으로 갖춰져야 합니다. 이러한 복잡한 상호작용을 밝혀냄으로써, 연구진은 신체의 자연스러운 회복 메커니즘을 효과적으로 지원할 수 있는 인공 환경을 만들기 위한 명확한 가이드를 제공했습니다.