Development of Mesenchyme-Inspired Engineering Platforms for Salivary Gland Regeneration = 타액선 재생을 위한 중간엽 모사 조직공학 플랫폼 개발

국문 초록 (Abstract)

타액선은 발생 과정에서 상피–중간엽 상호작용을 통해 분지형태형성 (Branching morphogenesis), 전구세포 유지, 그리고 성숙한 선포세포 분화를 조절하며, 이 과정은 생화학적·기계적·신경혈관 신호에 의해 제어된다. 그러나 성체 타액선은 방사선 손상, 자가면역질환, 노화 등으로 기능이 저하될 경우 재생 능력이 현저히 떨어지며, 현재의 임상적 치료는 분비기능의 회복보다는 일시적인 증상 완화에 국한되어 있다. 이를 극복하기 위해 조직공학 및 오가노이드 기술이 대두되었으나, 이러한 3차원 조직 배양을 위해 필수적인 지지체로 사용되는 기존의 동물 유래 세포외기질(Extracellular matrix; ECM)은 임상 적용에 한계가 있을 뿐만 아니라 복잡한 타액선 조직 형성에 필수적인 핵심 발달 신호를 충분히 제공하지 못한다는 단점이 있다. 따라서 타액선의 구조와 기능을 온전히 재건하기 위해서는 발생학적 기전과 공학적 미세환경을 통합한 새로운 전략이 요구된다.
본 학위논문은 고분자 스캐폴드와 세포 유래 기질을 활용하여 배아 타액선 중간엽의 조절 기전을 모사한 생체모방 플랫폼을 구축함으로써, 표준화가 가능하고 재현성 높은 타액선 재생 전략을 제시하고자 한다.
제 1 장에서는 배아 타액선 발생에 필수적인 생화학적·기계적 신호를 구현하기 위해 카테콜 (Catechol)로 기능화된 폴리아크릴로니트릴 (PAN-C) 나노섬유 스캐폴드를 제작하였다. PAN-C 스캐폴드는 카테콜기를 통해 배아 중간엽 유래 ECM 단백질과 성장인자를 자발적으로 흡착하여 생화학적 미세환경을 재현하였으며, 나노섬유 구조를 통해 기계적 스트레스를 완화함으로써 배아 조직에 최적화된 물리적 환경을 제공하였다. 이 플랫폼에서 배양된 배아 타액선은 대조군인 폴리카보네이트 (Polycarbonate; PC) 대비 향상된 증식과 분지형태형성을 보였으며, 특히 선포세포의 기능적 마커인 Aquaporin-5 (AQP5)의 정단측 (apical) 발현이 뚜렷하게 증가하여 성숙도가 향상되었음을 확인하였다. 전사체 분석 결과, 기계적 스트레스 관련 경로는 억제된 반면, 발생 신호 및 전구세포 유지·분화 관련 유전자의 발현은 유의하게 촉진되었다. 이는 PAN-C 나노섬유가 배아 중간엽 환경을 효과적으로 모사하는 플랫폼임을 시사한다. 특히 아크릴로니트릴 기반 소재가 갖는 비분해성 (non-degradable) 구조의 안정성과 경제성을 바탕으로 본 시스템이 표준화된 대량생산이 가능한 고효율 스크리닝 플랫폼으로서 기능할 수 있는 근거를 마련하였다.
제 2 장에서는 섬유아세포를 3차원 스페로이드로 조직화하여 배아 타액선 중간엽의 성장인자 및 ECM 조성을 모사하였다. 2차원 배양에서 3차원 환경으로의 전환은 콜라겐 IV, 라미닌, FGF-10, NRG1, VEGFA 등 기저막 및 발생 조절 인자의 발현을 증가시켰으며, 동시에 세포골격 긴장과 관련된 기계적 신호는 감소시켰다. 이후 스페로이드를 탈세포화하여 고유의 기질 구조와 핵심 리간드가 보존된 무세포 스캐폴드를 제작하였다. 이를 배아 타액선 유래 세포와 공배양한 결과, 타액선 오가노이드의 부피 성장과 버드 (Bud) 형성이 촉진되었으며, SOX9+ 전구세포의 공간적 배열, 신경 연계 및 근상피세포의 패턴형성 또한 크게 개선되었다. 이러한 결과는 탈세포화된 섬유아세포 유래 기질이 배아 중간엽의 고유한 발생 유도 미세환경을 성공적으로 재구성할 수 있음을 입증한다. 특히 상피 계통에 편중된 기존 모델의 구조적 단조로움을 보완하고 신경 및 혈관 성분이 통합된 다각적 조직화를 효율적으로 견인함으로써, 향후 인간 유래 오가노이드의 기능적 완결성을 검증하기 위한 정밀 테스트베드 (testbed)로서의 잠재성을 제시한다.
결론적으로, 본 연구는 배아 타액선 중간엽의 조절 기전을 공학적으로 구현하여 타액선 발생 및 재생 연구를 위한 혁신적인 플랫폼을 확립하였으며, 이는 임상적 타액선 재생 치료를 위한 핵심 기반 기술로 발전할 가능성을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Salivary gland regeneration requires understanding of developmental programs and microenvironmental cues that govern epithelial morphogenesis, progenitor maintenance, and functional acinar maturation. During embryogenesis, epithelial–mesenchymal interactions coordinate organ patterning through biochemical, mechanical, and neurovascular guidance signals. However, adult salivary glands exhibit limited regenerative capacity following radiation damage, autoimmune disease, or age-related decline, and current clinical management remains largely palliative without secretory function. Tissue engineering and organoid approaches provide platforms to recapitulate developmental processes ex vivo, yet commonly used matrices rely on undefined animal-derived extracellular matrix (ECM) or lack the instructive signals needed to support complex organ formation. An integrated framework that connects developmental mechanisms with engineered microenvironments is therefore essential to reconstruct salivary gland architecture and function. The present thesis establishes biomimetic systems that mimic embryonic mesenchymal regulation using polymer-based scaffolds and cell-derived matrices, with the goal of enabling defined, reproducible, and translationally relevant strategies for salivary gland tissue engineering.
In Chapter I, the embryonic mesenchymal microenvironment, which supplies biochemical and mechanical cues essential for epithelial proliferation, branching morphogenesis, and acinar differentiation, was reconstructed using catechol-modified polyacrylonitrile nanofiber scaffolds (PAN-C). Catechol functionalization provided binding capacity for ECM proteins and growth factors secreted from embryonic mesenchyme, recreating the native biochemical niche while mitigating stiffness-associated mechanical stress. Embryonic salivary epithelial tissues cultured on these scaffolds showed enhanced proliferation, branching, and acinar maturation, with increased apical aquaporin-5 (AQP5) expression relative to polycarbonate membranes. Transcriptomic profiling demonstrated suppression of stress-responsive programs and activation of developmental signaling associated with progenitor maintenance and acinar differentiation. These results indicate that catechol-modified nanofibers effectively mimic the embryonic mesenchymal environment and offer a biomimetic platform to study mesenchymal regulation. Notably, by utilizing the non-degradable nature and superior cost-effectiveness of the polyacrylonitrile backbone, this scaffold provides a standardized and scalable substrate optimized for high-throughput screening and large-scale industrial applications.
In Chapter II, a mesenchymal-mimetic microenvironment was generated by three-dimensional aggregation of fibroblasts, recapitulating trophic and ECM signals of embryonic salivary mesenchyme. Transition from two-dimensional culture to spheroid assembly induced expression of basement membrane components and developmental morphogens, including collagen IV, laminin, fibroblast growth factor 10 (FGF-10), neuregulin 1 (NRG1), and vascular endothelial growth factor A (VEGFA), while downregulating cytoskeletal tension pathways. Decellularization preserved matrix architecture and retained key ligands, producing an acellular scaffold that avoids the variability and paracrine effects of live stromal co-culture. When combined with dissociated embryonic salivary cells, these scaffolds promoted organoid expansion, increased bud formation, and enhanced SOX9-positive progenitor organization, accompanied by improved neural association and myoepithelial patterning. These findings demonstrate that fibroblast reprogramming followed by decellularization yields an instructive matrix that functionally substitutes for embryonic mesenchyme, providing a scalable platform for developmental studies and salivary gland tissue engineering.

목차 (Table of Contents)

• Abstract 1
• Contents 4
• List of Figures 6
• Abbreviations 9
• General Introduction 10
• 1. Epithelial-mesenchymal coordination 10
• 2. Salivary gland as an instructive branching model 11
• 3. Core components of the developmental mesenchymal niche 11
• 4. Limitations of current organoid and biomaterial systems 13
• 5. Biomaterial strategies inspired by the mesenchyme 14
• Chapter Ⅰ Mimicking the Mesenchymal Microenvironment during Embryonic Salivary Gland Development via Catechol-Modified Nanofiber Scaffolds 17
• Introduction 18
• Materials and Methods 24
• Results 32
• Discussion 68
• Chapter Ⅱ Facilitation of Salivary Gland Organization with Decellularized Mesenchymal-Mimetic Scaffolds 77
• Introduction 78
• Materials and Methods 83
• Results 94
• Discussion 118
• Conclusion 124
• References 127
• Abstract in Korean 134