Switchable Water‐Adhesive, Superhydrophobic Palladium‐Layered Silicon Nanowires Potentiate the Angiogenic Efficacy of Human Stem Cell Spheroids

연구 배경

3차원(3D) 줄기세포 스페로이드는 세포 치료에 활용할 수 있지만, 기존 행잉 드롭, 스피너 플라스크, 마이크로웰 방식으로 만든 스페로이드는 생존율, 균일성, 기능을 개선할 필요가 있습니다. 발수 상태와 물 접착 상태를 가역적으로 오가는 초소수성 표면은 배양액 방울을 붙잡으면서도 둥근 모양을 유지할 수 있지만, 온도·자기장·자외선·pH에 반응하는 기존 표면은 전환에 수 분 이상 걸렸고 친수성 영역이 생겨 방울이 구형을 유지하지 못하는 경우가 많았습니다.

설계와 접근

표면은 실리콘을 수용액 무전해 식각해 수직 정렬 나노와이어를 만들고, 기체 감응성 Pd 층을 스퍼터링한 뒤 도데실알킬트리클로로실레인(DTS)을 코팅해 만듭니다. 이 제작법은 연구진의 이전 Pd/Si NW 연구를 따릅니다. 수소가 Pd에 녹아 수소화팔라듐을 만들면 격자상수가 3.90 Å에서 4.04 Å으로 늘어나며, 저자들은 이로 인한 Pd/Si NW의 형태 변화가 물 접착 전환을 일으키고 공기 중에서 되돌아간다고 설명합니다. 수소에 노출한 표면에 올린 배양액 방울은 고정되고, 방울이 닿지 않은 주변 영역은 1분 이내에 다시 발수 상태가 되므로 행잉 드롭 배양 동안 방울이 거의 구형으로 유지됩니다.

평가 방법

젖음 특성은 정적 물 접촉각(WCA), 공기와 8% 수소(H2)에서 기울인 표면의 방울 굴러떨어짐, 충돌한 방울의 반발 높이로 구한 접착 에너지로 평가했습니다. hADSC 스페로이드는 1.25, 2.5, 5.0 × 10⁵ cells/mL의 세포 밀도와 10, 15, 20 μL 방울에서 4일간 배양했고, 스피너 플라스크 부유 배양과 페트리 접시 행잉 드롭으로 만든 스페로이드와 Live/Dead 염색, 크기 분포, VEGF 효소면역측정법(ELISA)으로 비교했습니다. 면역염색, MTT 대사 활성 분석, 정량 실시간 중합효소연쇄반응(qRT-PCR)에서는 생존율과 VEGF 분비가 낮은 스피너 플라스크 군을 제외하고 페트리 접시 스페로이드와만 비교했습니다. 혈관형성 기능은 사람 제대정맥 내피세포(HUVEC)를 내피 기본 배지(EBM)와 스페로이드 조건배지를 7:3으로 섞은 배지에서 정상 산소(20% O2)와 모사 허혈(1% O2) 조건으로 배양해 시험관 내에서 평가했으며, EGM-2와 EBM을 각각 양성·음성 대조군으로 두었습니다.

연구 내용과 주요 결과

Pd/Si NW는 두 기체 조건 모두에서 초소수성을 유지했으며, WCA는 공기 중 158.4 ± 3.37°에서 H2 노출 시 153 ± 3.58°로 약간 낮아졌습니다. 8 μL 물방울은 공기 중에서는 표면을 굴러떨어졌지만 8% H2에 노출한 뒤에는 표면에 붙었고, 전환은 5초 이내에 일어났으며 여러 차례 반복할 수 있었습니다. 충돌한 방울이 공기와 H2 조건에서 잃는 에너지의 차이로부터 계산한 접착 에너지는 161 nJ였습니다. 10 μL 배양액 방울은 기판을 수직으로 세우거나 뒤집어도 고정되어 있었고, 5~20 μL 방울을 붙잡을 수 있었으며 그보다 큰 방울은 굴러떨어졌습니다.

Pd/Si NW에서 스페로이드 생존율은 4일 동안 유지되었고, 스페로이드 크기는 세포 밀도와 배지 부피에 따라 커졌으며, DNA 양으로 보정한 VEGF 분비량은 스페로이드 크기에 따라 달라졌습니다. 스피너 플라스크·페트리 접시 방식과 비교해 Pd/Si NW는 생존 세포가 많고 조밀하며 크기 분포가 좁은 스페로이드를 만들었고(n = 10), VEGF 분비량도 훨씬 많았습니다(n = 3, 두 군 대비 p < 0.01).

페트리 접시 스페로이드와 비교해 Pd/Si NW 스페로이드는 E-카드헤린과 피브로넥틴 염색이 강했고, 미토콘드리아 대사 활성이 높았으며(n = 5, p < 0.05), 세포사멸 촉진 유전자 BAX는 감소하고 세포사멸 억제 유전자 BCL2L1은 증가했습니다. HIF-1α와 VEGF 유전자 발현도 증가했습니다(n = 3, p < 0.05). 저자들은 이를 조밀한 스페로이드에서 강화된 세포-세포·세포-기질 상호작용과 저산소 적응으로 해석했습니다.

Pd/Si NW 스페로이드의 조건배지는 정상 산소와 저산소 조건 모두에서 스피너 플라스크·페트리 접시 스페로이드의 조건배지보다 HUVEC 증식을 유의하게 높였습니다. 1% O2 조건에서 Matrigel에 접종하고 5시간 뒤 형성된 모세관 수도 늘었으며(n = 4, 두 군 대비 p < 0.01), 성장인자와 혈청을 첨가한 EGM-2와 비슷한 수준이었습니다. 저자들은 스페로이드 품질 향상을 Pd/Si NW 위 방울 내부의 수평 유동이 페트리 접시보다 약한 데서 찾았습니다.

남은 과제

기능 평가는 모두 시험관 내에서 이루어졌습니다. 저자들은 치료적 혈관형성에 대한 스페로이드의 생체 내 효능을 향후 검토해야 하며, Pd/Si NW 표면을 이용한 스페로이드 배양을 대량 생산에 맞게 확장하고 최적화해야 한다고 밝혔습니다.

다른 연구와의 연결

이 논문이 인용한 Bartosh 연구진의 관련 연구는 일반적인 행잉 드롭 방식으로 사람 중간엽 기질세포 스페로이드를 만들어 항염 특성을 살폈으며, 이 연구는 행잉 드롭 형식을 유지하면서 배양 기판을 수소 전환형 초소수성 표면으로 바꾸고 혈관형성 관련 분비 기능을 시험관 내에서 측정했습니다.