[국내연구실 소개] 김시윤 조교수/건국대학교 의학전문대학
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- 연구책임자: 김시윤 조교수 (vivavet@kku.ac.kr)
건국대학교 의학전문대학
연구실 위치: 서울시 광진구 건국대학교14동, 318호
연구실 소개
- 본 연구실은 건국대학교 의학전문대학 소속으로, 배아 및 역분화 유래 줄기세포로부터 신경과 심근의 분화/성숙을 통해 세포의 기능에 대한 평가 연구를 수행하고 있습니다. 줄기세포는 더 이상 표현형의 분화에 머무르지 않고, 기능적인 성숙에 초점을 맞추고 있습니다. 따라서 본 연구팀은 성숙한 기능성 세포를 개발하고, 신경 및 심근세포의 기능에 기반한 융합 응용 연구를 위해, 신규소재 개발, 생체신호 분석이 가능한 공대 연구팀과 다양한 공동연구를 수행하고 있습니다.
연구 내용
- 1) 줄기세포 유래 신경세포 기능 활용 연구
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줄기세포 유래의 신경세포에 대한 연구는, 초기 도파민성 세포의 개발에서부터, 운동 신경세포, 희소돌기아교세포 및 성숙 뉴런 (glutamatergic 및 GABAergic 등)에 대한 분화에 대해 많은 연구가 보고되었습니다. 현재는 특정 마커 분석에 기반한 표현형 분석을 넘어, 신경세포 특이적인 기능 검증을 통한 세포의 기능적 성숙에 대한 연구들이 진행되고 있습니다. 신경세포는 단일 세포의 이온채널 발현에 대한 patch clamp 분석에서부터, 신경계 구축을 통한 네트워크의 전기생리학적 활성을 multi electrode array등을 이용하여 분석하고 있으며, 이와 같은 지표가 기능성 신경에 대한 최소한의 기준이 되어가고 있습니다.
이와 같은 세포의 성숙이 기반이 되어야, 2D및 3D 장기유사체와 질환모사체의 기능적인 평가가 가능하며, 본 연구팀에서는 보다 섬세하고 정교한 신경계 구축을 위해, 전기생리학적 성숙을 유도할 수 있는 신규소재와 신호시스템을 개발하고, 신경계 유전질환을 기능적으로 모사할 수 있는 생체시스템 개발을 진행하고 있습니다. 아직 신경세포의 기능분석이라는 기준은 줄기세포 연구에서는 조금 생소한 부분일 수 있으나, 전통적인 신경생리학의 분야에서는 기본적으로 활용되는 분석기술로, 줄기세포 유래의 신경세포가 신경과학에 활용되기 위해서는 반드시 평가되어야 할 기준입니다. 이와 관련하여, 본 연구팀은 신경독성을 기존의 세포독성과 구분하여 신경세포의 기능적 이상을 측정하는 연구과제를 수행하고 있으며, 그 중 하나로, iPS 유래 신경세포를 활용하여 마약류와 같이 신경계의 비정상적인 기능 이상을 야기하는 물질에 대한 차세대 신경독성 평가법을 개발하고 있습니다. - 2) 줄기세포 유래 심근세포 기능 활용 연구
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줄기세포 유래의 심근세포는 줄기세포 기반의 독성평가연구에 가장 앞선 연구 분야로, 현재 심혈관계 약리안전성의 새로운 평가기준에 포함되어 있는, 매우 잘 정립이 되어있는 분야입니다. 심장독성은 최근까지도 hERG assay라는 K+이온채널의 이상분석을 위한 평가법이 국제공인되어 있었으나, 2013년 이후 The Comprehensive in Vitro Proarrhythmia Assay (CiPA) 분석법에 대한 새로운 기준이 국제적 검증의 막바지 단계에 있습니다. 주목할만한 부분은, CiPA에서는 평가법의 하나로 iPS 유래 심근세포의 기능을 이용한 이온채널 반응을 기준으로 삼고 있다는 점이며, 국내에서는 대학기관이 아닌 줄기세포 전문연구 회사가 평가에 참여하고 있습니다.
국내에 줄기세포 유래 심장세포의 기능을 연구하는 팀은 앞서 웹진에 소개된 생명공학 연구팀을 비롯하여 크게는 약 5곳이 있으며, 굉장히 높은 수준의 세포를 개발하고 있습니다. 본 연구팀은 건국대학교의 정형민 교수님과 함께, 배아줄기세포 유래의 심근세포로부터 iPS 유래의 심근세포까지 적용 가능한, 고효율 분화기술을 확립하고 있습니다. 현재까지는 국내에서 심근세포에 대한 가장 많은 연구성과를 보고하고 있고, 국내의 줄기세포 회사와 함께 세포에 대한 피드백을 주고 받으며, CiPA 다음단계의 심근독성 평가기술을 준비하고 있습니다. 현재는 심장의 전기생리학 평가는 물론, 수축력까지 측정할 수 있는 생체신호 분석 기술을 개발하여, 2D및 3D 장기유사체와 질환모사체를 개발하고자 하는 연구를 진행 중에 있으며, 신경세포와 마찬가지로 공대와의 협업을 통해 새로운 신규소재를 활용하여, 기능성 심장구조를 만드는 융합연구를 수행 중 입니다.
연구 목표
- 본 연구팀은 줄기세포 기반의 인공 생체시스템을 구축하여, 실험동물을 대체할 수 있는 예측성 높은 인체모사 평가 및 분석시스템을 개발하고자 하며, 앞서 소개된 훌륭하신 연구팀들과 함께, 광의적인 의미의 ‘인체모사 평가 플랫폼 개발’이라는 연구분야에 집중하고 있습니다.
연구 성과 (최근 3년, 실험실 주〮교신)
- Improved Human Hematopoietic Reconstitution in HepaRG Co-transplanted Humanized NSG Mice. BMB Rep. 2020.
- Development and evaluation of next-generation cardiotoxicity assay based on embryonic stem cell-derived cardiomyocytes. BMB Rep. 2020.
- Molecular Design of Highly Efficient Heavy-Atom-Free Triplet BODIPYs for Photodynamic Therapy and Bioimaging. Angew Chem Int Ed Engl. 2020.
- Pimozide Inhibits the Human Prostate Cancer Cells Through the Generation of Reactive Oxygen Species. Front Pharmacol. 2020.
- The Effect of Hexanoyl Glycol Chitosan on the Proliferation of Human Mesenchymal Stem Cells. Polymers (Basel). 2019.
- Trimethyltin chloride induces reactive oxygen species-mediated apoptosis in retinal cells during zebrafish eye development. Sci Total Environ. 2019.
- Mesenchymal stem cell-driven activatable photosensitizers for precision photodynamic oncotherapy. Biomaterials. 2018.
- Improved Transfection Efficiency and Metabolic Activity in Human Embryonic Stem Cell Using Non-Enzymatic Method. Int J Stem Cells. 2018.
- Respiratory Toxicity of Polyhexamethylene Guanidine Phosphate Exposure in Zebrafish. Zebrafish. 2018.
- Effect of Graphene Nanoribbons (TexasPEG) on locomotor function recovery in a rat model of lumbar spinal cord transection. Neural Regen Res. 2018.
- Two-Step Generation of Oligodendrocyte Progenitor Cells From Mouse Fibroblasts for Spinal Cord Injury. Front Cell Neurosci. 2018.
- Triclosan affects axon formation in the neural development stages of zebrafish embryos (Danio rerio). Environ Pollut. 2018.
- Humanized Mice for the Evaluation of Francisella tularensis Vaccine Candidates. J Microbiol Biotechnol. 2018.
- Reconstructing the severed spinal cord. Surg Neurol Int. 2017.
- Development of an Alternative Zebrafish Model for Drug-Induced Intestinal Toxicity. J Appl Toxicol. 2017.
- Nanostructured phthalocyanine assemblies with protein-driven switchable photoactivities for biophotonic imaging and therapy. J Am Chem Soc. 2017.
- Immunohistochemical evidence of axonal regrowth across polyethylene glycol-fused cervical cords in mice. Neural Regen Res. 2017.