최근 일본에서 줄기세포(stem cell)를 사용한 치료에 박차를 가하고 있다는 소식들을 자주 접하게 된다. 2018년 11월, 교토대에서는 파킨슨병 환자의 뇌에 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell, 이하 iPSC)로부터 분화된 신경전구세포(neural precursor)를 이식했다고 발표했으며, iPSC로부터 분화시킨 혈소판의 효능 및 안전성을 재생불량성빈혈 환자에게서 검증하는 임상시험도 허가받은 상태이다. 환자들은 6개월간 총 3번에 걸쳐 iPSC 유래 혈소판을 주입받은 뒤, 1년간 치료법의 효능과 안전성을 검증받는다. 게이오대는 iPSC로부터 신경줄기세포(neural stem cell)를 만들고 중증 척수손상 환자에 이식하는 임상연구를 돌아오는 여름 경에 실시할 전망이다. 필자가 박사후과정으로 연구하던 미국 하버드대학교 내에서도 이러한 줄기세포를 이용한 치료를 임상시험으로 진행하고자 하는 흐름이 있었다. 많이 드러나지는 않았지만 외신을 통해 들려오는 소식에는 난치병 환자들이 줄기세포 치료를 위해 중국으로 향하고 있다는 기사도 있다. 본 연구자의 경우에도 좋은 기회를 얻어 최근까지 미국 하버드대학교 Psychiatry 부속병원인 McLean Hospital 에서 줄기세포의 분화를 조절하는 당대사(glucose metabolism) 연구를 진행하는 동안 이러한 치료가 가시권에 들어와 있음을 실감하였으며, 이에 줄기세포를 사용한 연구 및 치료의 동향을 글로써 정리해보고자 한다.

  줄기세포(stem cell)란 무엇인가? 국어사전에는 “배아 또는 성체에 있는, 여러 종류의 세포로 분화할 수 있는 미분화 세포” 라고 정의되어 있는데, 이 지면에서는 “스스로 복제하고, 여러 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력[줄기세포능, stemness]을 가진 세포”로 지칭하겠다. 굳이 “배아 또는 성체에 있는” 이라는 단어를 빼는 이유는 지면에서 다룰 iPSC(induced pluripotent stem cell)의 경우 배아 또는 성체에 존재하는 것이 아닌, 체세포를 인체 외부에서 인공적으로 만들어낸 것이기 때문이다. 배아줄기세포(embryonic stem cell)의 경우 말 그대로 아직 줄기세포능이 남아있는 배아의 미분화된 속세포덩이(inner cell mass)에서 유래된 줄기세포이다.

  야마나카 신야 교수(교토대)가 iPSC를 최초로 개발한 공로로 2012년 노벨 생리의학상 수상자로 선정되기 이전에도 줄기세포는 연구되고 있었다. iPSC가 개발된 이후로 달라진 점이 있다면 배아를 사용하지 않고 체세포로부터 만들어내므로 윤리적 장벽을 넘을 수 있다는 점, 각 환자의 유전자를 그대로 지니고 있으므로 환자 개개인의 병태생리를 파악할 수 있다는 점 등이 있다. 체세포로부터 iPSC를 만드는 과정을 역분화(reprogramming)라고 하는데 기본적으로는 야마나카 인자로 불리는 Oct3/4, Sox2, c-myc 및 Klf4를 세포에 도입시키는 것을 바탕으로 한다. 이를 좀더 단시간에 정밀하게 유도하고, 균일하고 높은 수율로 줄기세포를 만들기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 제작된 줄기세포는 3가지 배엽으로의 분화 및 기형종(teratoma)으로의 분화를 유도시켜 분화능력을 확인한다. 이렇게 채취되거나 만들어진 줄기세포는 실험자의 입장에서는 매우 세심한 관리가 필요한데, 일반적인 세포주(cell line)와 비교하여 보았을 때는 줄기세포능을 잃지 않도록 적절한 계대배양(subculture) 시점과 계대배양횟수(passage number)의 제한을 엄격히 지켜주어야 하며, 세포들이 단일 세포(single cell)로 분리되어 자라지 않도록 유의하고, 줄기세포능 유지에 특화된 배지(예를 들어 mTeSR™, E8™ 등)를 사용하여야 한다. 만일 사람에게 이식하고자 하는 원료로서의 줄기세포를 제작하는 경우 Good manufacturing practices (GMP) 기준에 적합한 재료만을 사용해야 한다.
  줄기세포를 사용하여 원하는 특정 체세포로 분화시키는 방법은 체세포 종류에 따라 (예를 들어 신경세포, 췌장세포, 혈액세포 등) 매우 다양하여 본 지면에 자세한 설명은 생략한다. 요약하면 많은 분화 방법들이 실제 인간 배아로부터 특정 체세포로 분화하는 과정을 모방하여, 단계별로 중요한 인자, 특히 전사인자(transcription factor)의 발현을 세밀하게 조절하는 방식으로 진행된다. 짧게는 수주에서 길게는 수개월이 걸리는 작업에 해당하며, 프로토콜에 따라서는 매일마다 배지의 종류를 바꾸어가며 조절해주어야 하는 작업이 될 수 있다. 특정 체세포로 분화가 되는 과정에 있어서 단계별로 발현하는 표지자(marker)를 확인하는데, 예를 들어 파킨슨병 치료에 사용되는 도파민신경세포(dopaminergic neuron)의 경우 신경전구세포 단계에서 주요 전사인자인 Nurr1, Fox2A 의 발현을 확인하고, 신경의 성숙 단계에서 도파민 합성 효소인 tyrosine hydroxylase를 확인한다. 또한 세포가 성숙하여 특정 체세포의 특징 및 기능을 가지는지를 다양한 방법으로 확인하는데, 예를 들어 신경의 경우 해당 신경에 특이적인 전기생리학적 특징들을 확인한다. 환자로부터 유래된 유도만능줄기세포의 경우, 치료적 목적 이전에 일단 각 환자가 가진 질환과 연관된 체세포 종류로 분화시켜 (조직 생검 대신) 해당 환자의 병태생리를 파악하는 질병 모델로 사용하고, 각 환자별로 적합한 약제 스크리닝(drug screening)에 응용할 수 있다 (그림 1). 향후 기술이 좀더 발전하는 경우 돌연변이가 있는 환자에게서는 유전자가위를 사용한 유전자교정의 가능성이 열려 있으며, 이렇게 교정된 세포의 경우 안정성이 확보되면 이식을 통해 손상된 조직을 대체하는 치료를 염두에 둘 수 있다.

  서두에서 나온 질환들이 줄기세포 치료를 고려하게 되는 이유는 무엇인가? 재생불량성빈혈 환자의 줄기세포치료 피시험자는 주로 수혈 후 거부반응(rejection)이 심한 환자들로서, 지혈에 필수적인 혈소판이 부족해도 이와 같이 수혈 자체가 어려운 경우 환자 본인으로부터 유래한 혈소판이 대안이 될 수 있다. 파킨슨병은 퇴행성신경질환 중 두 번째로 호발하는 질환으로, 노화 등으로 인해 점진적으로 중뇌(midbrain)에서 도파민신경세포가 손상되어 손떨림, 보행장애 등의 운동장애가 일어나 일상에 큰 지장을 받는데, 인간 수명이 늘어남에 따라 현재까지 개발된 약제들의 조합으로도 증상이 악화되는 환자가 늘어나고 있어서 새로운 치료법이 요구된다. 사고 등으로 인한 척수손상환자의 경우 손상된 척수 이하 부위가 관장하는 사지 및 배설 기관 등의 기능이 마비되지만, 현재까지 손상된 부위를 원상복귀시키는 치료법은 없다. 이러한 신경질환들에 대해서는 손상된 신경들을 줄기세포에서 분화시킨 신경으로 대체해주어 기능을 회복시킨다는 것이 치료의 개념이다.
  줄기세포 치료의 경우 환자 본인으로부터 유래된 iPSC를 분화시킨 세포 외에도, 체세포로부터 다른 체세포로 직접적인 변환을 하는 방법(direct conversion)이 개발되고 있다. 이렇게 본인의 세포를 이식(autologous graft) 받는 것 뿐만 아니라 타인으로부터 유래된 세포를 이식(allogeneic graft) 받는 것도 가능한데 이 경우 이식거부반응을 막기 위한 조치가 필요하며, 배아줄기세포의 경우 윤리적인 문제를 고려해야 한다 (그림 2).

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