전방십자인대 재건술을 위한 새로운 생물학적 강화 치료

연구자. 한양대학교병원 정형외과 이진규 교수

“파열 ACL 잔여 조직에서 분리·배양한 ACL-derived cells를 전·후방십자인대 유래 탈세포화 기질

(ACLM)과 함께 탈세포화 건 이식편에 재도포함으로써 인대화와 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.”

국제 학술지 『Stem Cell Research & Therapy』 2025년 16권 1호에 게재된 ‘A new biological enhancement therapy for

anterior cruciate ligament reconstruction – the preclinical proof of anterior cruciate ligament reconstruction with

tendon graft reseeded with autologous anterior cruciate ligament-derived cells’ 중에서

 

전방십자인대(anterior cruciate ligament, ACL) 파열에 대한 표준 치료는 자가건 또는 동종건을 이용한 재건술이지만, 이식건이 인대화(ligamentization)를 거친 후에도 정상 ACL과 동일한 조직학적 구조와 기계적 특성을 회복하지 못한다는 한계가 잘 알려져 있다. 장기 추시에서도 이식건 내부의 광범위한 괴사와 저세포성, 제3형 콜라겐 위주의 흉터성 재형성, 비정상적인 콜라겐 섬유 직경 분포가 관찰되며, 동물 및 인체 연구에서 파열하중과 강성은 정상 ACL의 약 50~60% 수준에 머무는 것으로 보고된다. 이러한 배경에서 줄기세포 이식, 유전자 조절 등 다양한 생물학적 강화 전략이 제안되었으나, 인대 특이적 세포원과 인대 유래 기질을 동시에 활용하는 접근은 제한적이었다. 본 연구는 “파열 ACL 잔여 조직에서 분리·배양한 ACL-derived cells를, 전·후방십자인대 유래 탈세포화 기질(acellularized cruciate ligament matrix, ACLM)과 함께 탈세포화 건 이식편에 재도포함으로써 인대화와 기계적 특성을 향상시킬 수 있다”는 가설을 검증한 전임상(preclinical) 연구이다.

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세포·기질 플랫폼의 설계 및 인체 외 실험 평가

ACL 파열 후 4주 이내에 일차 재건술을 시행한 환자의 파열 인대 잔여 조직에서 ACL-derived cells를 분리·배양하였다. 인대 기질은 십자인대를 SDS 및 EDTA 처리 후 동결건조·분쇄하여 파우더 형태의 ACLM으로 제작하였다. 면역형광 분석을 통해 ACLM 내 제1형 콜라겐 등 인대ECM 구성 성분의 보존을 확인하였고, 다양한 농도에서 이식건 내 seeding efficiency를 평가한 결과 30mg/mL에서 ACL-derived cells의부착 효율이 가장 높아 최적 농도로 선정하였다. 인체 외(in vitro) 실험에서는 탈세포화된 경골 전경골건 동종이식편을 대상으로 (1) 무처치 이식건, (2) ACL-derived cells 단독 주입, (3) ACL-derived cells+ACLM 동시 주입 세 그룹을 설정하였다.

14일까지의 배양 후 조직학적 분석에서 세포 단독군은 이식건 ECM 내 장기 생존·침투한 세포 수가 제한적인 반면, 세포+ACLM 군에서는 섬유주 내로 길게 늘어진 세포가 광범위하게 분포하며 세포 밀도가 유의하게 증가하였다. Picrosirius red 염색과 면역형광에서는 세포+ACLM군에서 제1형 콜라겐 침착이 뚜렷하게 증가하였고, RT-qPCR에서도 COL1A1 발현이 유의하게 상승해 ACLM이 ACLderivedcells의 콜라겐 합성과 매트릭스 재형성을 촉진함을 시사하였다. 반면 제3형 콜라겐, tenascin-C, α-SMA 등은 군 간 큰 차이를 보이지 않아, 비특이적 섬유화보다는 인대형 콜라겐 생성에 보다 선택적으로 기여하는 양상을 보였다.

 

동물 모델에서의 인대화 및 기계적 성숙

성체 수컷 Sprague Dawley 랫드를 대상으로 자가 아킬레스건을 이용한 ACL 재건 모델을 구축하고, (1) 표준 이식건군, (2) ACLM 단독군, (3) ACL-derived cells+ACLM군으로 무작위 배정하여 4주와 8주에 평가하였다. 4주 시점 H&E 염색에서 표준군과 ACLM 단독군은 광범위한 괴사와 metaplasia(무세포·무혈관·불규칙 섬유 배열)가 관찰된 반면, 세포+ACLM군은 metaplasia가 최소화되어 초기 괴사 단계가 억제된 양상을 보였다. 8주에는 핵 형태를 기반으로 한 세포 성숙도 평가에서 세포+ACLM군이 방추형·선형 핵을 가진 성숙 섬유세포가 우세하였고, 편광현미경에서도 콜라겐 crimp 회복이 가장 양호해 구조적으로 정상 ACL에 더 근접한 섬유 배열을 나타냈다. 면역조직화학 및 RT-qPCR 분석에서 세포+ACLM군은 8주 시점 COL1A1 단백질과 mRNA 발현이 유의하게 증가했으며, COL3, tenascin-C, COMP 등 기타 인대 관련 마커에서는 군 간 큰 차이가 없었다. 사람 핵을 인지하는 Ku-80 항체를 이용한 세포 추적에서는 이식된 ACL-derived cells가 최소 4주까지 이식건 내에서 생존·정착해 있음을 확인하여, ACLM이 저산소·영양 부족·염증 등 불리한 미세환경에서 세포 생존을 보호하는 스캐폴드 역할을 수행함을 시사하였다.

기계적 평가에서도 이러한 조직학·분자생물학적 변화가 반영되었다. 8주 시점 인장시험에서 최대 파열하중과 강성은 표준군 대비 ACLM 단독군과 세포+ACLM군에서 모두 증가했으며, 특히 세포+ACLM군의 강성은 거의 2배 수준으로 향상되어 기능적 관점에서 이식건 질(quality)의 개선을 객관적으로 입증하였다. Micro-CT 분석에서는 대퇴·경골 터널 내 골량/전체부피 비율(BV/TV)이 세포+ACLM군에서 가장 높게 나타났으며, 이는 골–건 접합부의 골유합과 고정력 향상 측면에서의 잠재적 이점을 의미한다.

 

▲A new biological enhancement therapy for anterior cruciate

ligament reconstruction – the preclinical proof of anterior

cruciate ligament reconstruction with tendon graft

reseeded with autologous anterior cruciate ligamentderived cells

 

향후 임상 번역 가능성과 시사점

본 연구는 파열 ACL 잔여 조직을 인대 특이적 세포 소스로 재정의하고, 인대 유래 탈세포화 기질과 결합한 biological enhancement ACL 재건술 플랫폼의 개념을 전임상 단계에서 제시했다는 점에서 의미가 크다. ACL-derived cells는 기존 비특이적 MSC 대비 인대형 분화와 콜라겐 합성에 최적화된 세포원이며, ACLM은 조직 특이적 ECM과 기계적 부착 기반을 제공하여 세포 생존, 정착, mechanotransduction을 동시에 증폭하는 역할을 한다.

쥐 모델이라는 스케일 및 생체역학적 한계, 임상 번역을 위한 CMC·규제 이슈, 환자 연령·손상 시점·동반 병변에 따른 이질성 등은 여전히 해결해야 할 과제이다. 그럼에도 “수술 중 회수한 자기 인대 세포와 인대 유래 ECM을 이용해 이식건의 인대화와 기계적 성숙을 촉진한다”는 플랫폼 개념은, 향후 대동물 연구와 초기 임상시험을 거쳐 재파열률 감소와 조기 스포츠 복귀를 목표로 하는 맞춤형 ACL 재건술로 확장될 수 있는 잠재력을 보여준다.