[바이오타임즈] 재생 의학은 불의의 사고나 퇴행성 질환 등으로 인해 제대로 기능을 하지 못하는 신체 기관 및 세포를 정상으로 복원시키는 의학 분야이다. 궁극적으로는 질병을 치료하는 데 목적을 두고 있다. 현재까지 여러 질환의 치료 과정에 줄기세포를 활용한 연구가 진행되어왔다. 최근에는 환자를 대상으로 한 여러 임상시험이 진행되고 있어 치료 방법이 없는 불치병 환자들에게 희망이 되고 있다.
 

줄기세포 생성 방법에 다분화능과 자기 복제 능력 있어

줄기세포는 성체 세포와 다른 몇 가지 특성이 있다. 대표적으로 특정한 환경에서 여러 계통의 세포로 분화할 수 있는 다분화능(pluripotency)과 자기 복제(self-renewal) 능력이 있다. 다분화능은 줄기세포가 특정 환경과 조건이 맞으면 다른 계통의 세포로 분화가 이뤄질 수 있는 특성이다. 자기 복제 능력은 줄기세포 자체가 자신의 특성인 다분화능을 잃어버리지 않은 채 무한대로 세포분열을 거쳐 줄기세포로 재생산할 수 있음을 의미한다.

인간에게서 유래된 최초의 줄기세포는 1998년에 Dr. Thompson에 의해서 만들어진 배아줄기세포(Embryonic Stem Cell)이다. 이후 약 10년이 지나 Dr. Yamanaka가 체세포인 섬유아세포를 역분화시켜 유도 만능 줄기세포(Induced Pluripotent Stem Cell)를 만들었다. 

재생의학 세포 치료 분야의 근간인 역분화 줄기세포와 교차 분화

그렇다면 동물, 특히 인간 체세포를 이용한 역분화(Reprogramming)와 직접교차분화(Direct Conversion)를 이용한 질병의 치료 방법과 응용은 어떠할까?

먼저 역분화란 이미 분화된 세포를 분화능이 지닌 줄기세포로 다시 되돌리는 방법이다. 대표적인 예로는 유도 만능 줄기세포가 있다. 이 방법으로 여러 세포 신호전달 물질을 처리해 특정 전구체(progenitor)나 여러 다양한 세포로 직접 분화할 수 있다. 또한, 줄기세포의 복제능력으로 배양을 통해 무한대로 증식시킬 수 있어 유도 만능 줄기세포를 통한 분화를 활용한다면 치료에 필요한 세포의 양적 문제를 원천적으로 극복해낼 수 있다.

직접 분화 방법으로 세포를 생성해 이식에 활용할 수 있는 분야는 다양하다. 대표적으로 심장 관련 질환을 위한 심근 세포(Cardiomyocyte) 분화, 근 위축성 측색 경화증(Amyotrophic lateral sclerosis, ALS) 치료를 위한 운동 뉴런(Motor Neuron)과 같은 신경 세포(Neuron) 분화, 파킨슨 병(Parkinson’s disease) 치료를 위한 도파민 뉴런(Dopaminergic Neuron) 세포 분화, 백혈병과 같은 혈액암 치료를 위한 조혈 줄기세포(Hematopoietic Stem Cell) 분화 등이 있다.

또한, 교차 분화는 완전히 분화된 세포를 다른 계통의 세포로 만드는 기술이다. 이 기술의 특징은 완전히 분화된 세포를 다른 계통의 특정한 세포로 만드는 과정에서 줄기세포 단계를 건너뛰어야 한다. 즉 세포에 따라 각기 다른 전사 인자(Transcription Factor)가 필요하다.

교차 분화에 관한 연구는 오랜 시간 활성화되지 못했다. 특정 세포에서만 발현되는 인자를 세밀하게 식별하는 것이 까다로웠기 때문이다. 그러나 최근 유전체학(Genomics)의 눈부신 발전으로 교차 분화 연구에 진척이 있기 시작했다. 또한, 유전자 발현 검출은 미세배열(Microarray)과 RNA 시퀀싱(RNA-seqencing)기술이 발전하면서 각 계통의 여러 세포에서 발현되는 특정한 전사 인자를 손쉽게 확인할 수 있게 되었다.
 

임상 시험을 위해 최소 3번의 품질관리 필요

세포 치료에 활용되는 줄기세포는 엄격한 품질관리가 필수다. 인체 내 이식된 모든 줄기세포는 잠재적으로 종양을 만들 수 있으며, 이식 과정에서 환자의 감염과 이식 후 면역 거부 등의 부작용도 고려해야 한다. 따라서 줄기세포 생산은 임상 적용이 가능한 높은 수준의 품질관리가 요구된다.

일반적으로 세포 치료에 활용되는 세포주들은 STR Genotyping을 역분화에 활용한 체세포 단계에서 한 번, 역분화 후 적립된 세포주 초기 단계에서 한 번, 그리고 세포주의 Master Banking 단계에서 한 번 수행해 최소 3번의 확인을 거친다. 이로써 세포주의 정체성(identity)에 변화가 없다는 것을 확인해야 한다.

살아있는 세포는 그 자체로 멸균 기능이 떨어지기 때문에 생산 과정에서 미생물의 오염이 우려된다. 따라서 생산 단계에서 여러 종류의 미생물 오염을 확인해야 한다. 다행히 박테리아성 세균이나 진균류를 검사하는 방식은 오랜 시간 정립되어 왔기 때문에 이에 대한 가이드라인이 잘 갖춰져 있는 편이다.

다수의 전 임상 단계 실험에서 활용

현재 다수의 전 임상 단계 실험에서 배아줄기세포와 유도 만능 줄기세포를 활용하고 있으며 유용한 결과가 나타나고 있다. 이에 다양한 질병을 치료하는 임상시험 역시 활발하게 진행되고 있다. 배아줄기세포를 활용한 임상시험은 유도 만능 줄기세포에 비해 적다. 현재 배아줄기세포를 활용해 진행되고 있는 임상시험은 스타르가르트 황반부 이영양증(Stargardt Macular dystrophy, SMD), 노인성 황반변성(Aged Related Macular degeneration, AMD), 척수손상(Spinal Cord Injury), 인슐린 의존형 당뇨병(Diabetes Mellitus Type1) 등이 있다.

이렇듯 줄기세포는 재생 의학에 커다란 변화를 주었다. 과거 세포에 대한 인식은 수정에서 시작되는 발생부터 탄생에 이르기까지 단순히 수동적인 존재였으나, 이제는 인간의 기술을 통해 재창조할 수 있게 되었다. 특히, 최근 급속도로 발전하고 있는 유전자 교정(Gene Editing) 기술은 줄기세포의 잠재력을 상당 부분 일깨워주고 있다. 기술적인 문제로 아직 치료에 적용하는 건 무리지만, 향후 다양한 세포 치료제를 생산하는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 다만, 이러한 가능성을 현실화해 우리 실생활을 이롭게 하기 위해서는 여러 제도와 법이 함께 발전해야 할 것이다.

[바이오타임즈=정민구 기자] news@biotimes.co.kr

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