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핵심내용

- 피부세포를 바로 혈관세포로 탈바꿈시킴 -

허혈성 심혈관질환은 한국 뿐만 아니라 세계적으로 주요 사망원인 중 하나이나, 건강한 혈관을 되살리는 치료는 요원한 실정이다. 본 연구를 통해 쉽게 얻을 수 있는 피부세포로부터 바로 혈관내피세포 (iEC)를 만들어냄으로써, 혈관재생치료의 새로운 장이 열릴 수 있을 것으로 기대된다.

□ 보건복지부(장관 문형표)는 지원하고 있는 선도형 세포치료 연구사업단(단장, 서울대학교병원 박영배 교수)의 김효수, 한정규 교수팀(서울대학교병원 순환기내과)이 수행한 연구에서 피부세포를 역분화줄기세포 등 중간 과정 없이 바로 혈관내피세포로 탈바꿈시킬 수 있음을 세계 최초로 규명하였다고 밝혔다.

○피부세포를 이용해 손상된 심혈관을 재생시킬 수 있는 가능성이 제시되어, 심혈관질환 치료에 획기적인 전기가 마련될 것으로 기대된다.

□ 허혈성 심혈관질환, 어떤 병인가?

○심장질환은 통계청 자료에서 한국인 사망원인 2위에 올랐다. 이 중 협심증1), 심근경색2) 등 허혈성 심혈관질환이 가장 큰 비중을 차지했다. 치료를 위해 스텐트시술3), 관상동맥우회수술4), 약물요법 등이 이용되고 있으나, 막히거나 좁아진 혈관을 건강한 혈관으로 되돌리는 근원적 치료와는 거리가 멀다.

○건강한 혈관을 되살리는 방법으로 배아줄기세포5)나 유도만능줄기세포 (역분화줄기세포)6)로부터 혈관내피세포를 분화시키는 연구가 진행되어 왔으나 여기에는 윤리적 한계와 함께 종양발생가능성, 배양 중 이종(異種) 동물세포 오염 위험, 고난도의 배양 조건 등 기술적 한계가 있었다.

□ 연구 성과의 의의 : 피부에서 혈관을 만든다?

○서울대학교병원 순환기내과 김효수, 한정규 교수 연구팀은 피부세포를 역분화줄기세포로 유도한 후 다시 혈관내피세포로 분화시키는 과정 없이, 직접 혈관내피세포로 이형(異形) 분화(transdifferentiation)7) 시킬 수 있음을 최초로 규명했다.

○연구팀은 실험용 생쥐의 피부에서 섬유모세포를 분리했다. 여기에 배아발생과정에서 혈관내피세포가 생기는데 중요한 역할을 하는 11개 유전자를 바이러스를 이용해 과발현 시켰다. 연구팀은 11개 유전자가 과발현된 피부섬유모세포 중 일부에서 혈관내피세포에서 특이적으로 발현하는 타이투 수용체(Tie2)가 발현함을 발견했고, 11개 유전자 중 가장 효과적이고 효율적으로 Tie2 발현을 유도하는 5개 유전자 조합 (Foxo1, Er71, Klf2, Tal1, Lmo2)을 찾아냈다.

○이들 5개 유전자가 과발현된 피부섬유모세포는 혈관내피세포와 유사한 형태로 모양이 탈바꿈되었고, 연구팀은 이를 유도혈관내피세포(iEC: induced Endothelial Cell) 라 명명하였다.

○유도혈관내피세포는 실제 혈관내피세포와 유사한 형태와 성상을 나타내었고, 배양접시 위에서 모세혈관을 형성했다. 또한 유전학적 (genetic) 및 후성유전학적 (epigenetic) 특징이, 기원이 되는 섬유모세포와 달리 실제 혈관내피세포와 유사하였다.

○연구팀은 다리 혈관을 묶어 제거한 실험용 쥐를 대상으로 섬유모세포를 주사한 그룹(대조군)과 유도혈관내피세포를 주사한 그룹(비교군)으로 나눠 새로운 혈관 형성과 혈류회복의 정도를 비교하였다.

○그 결과 비교군에서 대조군에 비해 레이져도플러혈류이미징기기로 측정한 혈류회복이 2배 가까이 호전되었다. 이는 주입된 유도혈관내피세포가 새로운 모세혈관을 형성하였기 때문임을 형광염색을 통한 현미경적 검사로 확인하였다.

○줄기세포를 이용한 재생의학적 (regenerative medicine) 치료를 위해 배아줄기세포나 유도만능줄기세포(역분화줄기세포, 2012년 노벨 생리의학상 수상)로부터 목표세포를 분화시키는 연구가 진행되어 왔다. 그러나 이러한 연구에는 윤리적, 기술적 한계가 있어 실용화되지 못하고 있는 실정이다. 이를 극복하기 위해 쉽게 얻을 수 있는 섬유모세포로부터 직접 목표세포를 이형분화시키려는 연구가 활발히 진행되고 있고 최근 신경세포, 간세포, 심장근육세포를 각각 섬유모세포로부터 직접 만들어낼 수 있음이 보고되어 이 분야에 학계의 관심이 집중되고 있다. 이 와중에 피부섬유모세포를 직접 혈관내피세포로 탈바꿈시킬 수 있음을 국내 연구팀이 최초로 규명하는 연구 성과를 낸 것이다.

□ 혈관재생 치료법의 획기적인 변화 기대

○ 연구팀은 현재 인체유래 세포를 이용한 유도혈관내피세포 기술을 연구 중으로 궁극적으로 임상에 적용이 가능한 수준의 기술 개발을 계획 중이다.

○ 김효수 교수는“세포 분화의 과정이 비가역적이거나 일방적이지 않다는 최근의 새로운 패러다임을 지지하는 학술적 성과”라며 “본 연구결과, 손쉽게 얻을 수 있는 피부세포로부터 다량의 순수한 혈관세포를 바로 만들어냄으로써 혈관재생 치료법에 획기적인 변화를 가져올 것으로 기대된다.”고 말했다.

○이 연구 성과는 심혈관생물학 분야 최고의 권위지인 Circulation 지(誌) (인용지수 14.9)에 “Direct Conversion of Adult Skin Fibroblasts to Endothelial Cells by Defined Factors”라는 제목으로 학술지 사설(editorial)과 함께 게재(’14.9.5자)되었다.

○본 연구는 보건복지부 선도형 특성화 연구사업의 일환인 선도형세포치료연구사업단의 지원과 미래창조과학부와 한국연구재단이 주도하는 바이오 의료기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다.

○선도형특성화연구사업은 병원의 우수한 기초·임상인력 및 인프라 등을 기반으로 산·학·연 공동연구 파트너십 구축을 통해 세계적 수준의 제품·의료기술 개발을 위한 임상 진입 성과 창출을 목적으로 하는 보건의료연구개발 사업이며, 서울대학교병원 선도형 세포치료 연구사업단은 차세대 의료기술의 총아인 세포치료분야의 글로벌 메디클러스터로 성장하는 것을 목표로 2007년부터 산·학·연 융합연구를 진행하고 있다.

상세내용

<붙임1> 용어설명

1) 협심증 : 심장은 크게 3개의 심장혈관(관상동맥; coronary artery)에 의해 산소와 영양분을 공급받음. 주로 동맥경화증에 의해 관상동맥 중 어딘 가에 협착(혈관의 통로가 좁아짐)이 생기는 경우, 심장 근육으로의 혈류 공급이 감소하면서 산소 공급이 줄어들어 심장근육이 허혈 (장기의 산소수요에 대해 그 공급원인 혈류가 부족한 상태) 상태에 빠져, 전형적으로 운동시 흉통이 발생하게 됨. 이러한 상황을 협심증이라 함.

2) 심근경색 : 심장의 관상동맥에 생긴 동맥경화반에 주로 파열이나 표면의 균열에 의해 혈전 (피떡)이 생기면 혈류의 공급이 갑자기 감소하거나 중단되면서 산소와 영양분을 공급받지 못한 심장근육이 괴사되는 상항을 심근경색이라 함.

3) 스텐트(stent) 시술 : 심장에 혈액을 공급하는 관상 동맥이 동맥경화, 혈전(피떡) 등에 의해 막히거나 좁아져 심장에 피를 제대로 공급할 수 없는 상태가 되었을 때 사타구니나 팔목의 동맥을 통해 도관을 삽입하여, 관상동맥까지 접근 후 금속망 (스텐트)를 거치시킴으로써 좁아진 혈관을 넓히는 시술.

4) 관상동맥우회수술 : 심장에 혈액을 공급하는 관상 동맥이 동맥경화, 혈전(피떡) 등에 의해 막히거나 좁아져 심장에 피를 제대로 공급할 수 없는 상태가 되었을 때 가슴을 열고 (개흉술) 막힌 관상동맥 부위 이하에 다른 혈관을 이어붙여 혈류 공급을 개선시키는 수술.

5) 배아줄기세포 : 배아 발생과정에서 추출한 세포로, 모든 조직의 세포로 분화할 수 있는 능력을 지녔으나 아직 분화되지 않은 '미분화'세포이다. 배아줄기세포는 모든 조직의 세포로 분화할 수 있는 능력을 지니고 있으며, 이론상으로는 무한정 세포분열을 할 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 부상이나 질병 등으로 조직이 손상되었을 때 배아줄기세포를 원하는 조직으로 분화시켜서 그 조직을 재생시키는 데 이용할 수 있도록 연구 중에 있다.

6) 유도만능줄기세포 (역분화줄기세포, iPS: induced Pluripotent Stem cell): 분화가 끝난 체세포에 특정한 유전자를 주입하여 분화 이전의 원시적인 만능줄기세포 상태로 되돌딘 세포. 이 성과로 2012년 일본의 신야 야마나카 교수가 노벨 생리의학상을 수상하였음.

7) 이형(異形) 분화 : 하나의 분화된 세포가 다른 종류의 분화된 세포로 전환되는 현상. 특히 포유류 세포에서는 불가능한 것으로 생각되어 왔으나 야마나카 교수팀의 역분화줄기세포 연구 이후 이형 분화 역시 가능한 것으로 기대되어 최근 연구의 초점이 되고 있음.

<붙임2> 관련사진

본 연구팀의 개발한 이형분화 (transdifferentiation)를 통한 혈관내피세포유도 방법과 기존의 역분화줄기세포 혹은 배아줄기세포를 이용한 혈관내피세포 유도 기술의 비교 모식도.

실험용 생쥐의 피부나 꼬리로부터 섬유모세포를 얻어 유도혈관내피세포 5가지 인자를 발현할 수 있도록 바이러스를 주입하면 7일째, 혈관내피세포와 유사한 모양으로 세포의 모습이 탈바꿈하면서 유도혈관내피세포가 얻어짐.

VE-cadherin, CD31은 혈관내피세포에서 발현하는 특징적인 마커들로서 섬유모세포에서는 발현하지 않다가 유도혈관내피인자 5가지를 주면 발현하게 됨. BS1 lectin과의 결합이나 acetylated LDL의 포합도 혈관내피세포의 특징적인 성질임.

하지 허혈모델에서 섬유모세포를 주사한 그룹 (대조군)보다 유도혈관내피세포를 주사한 그룹 (비교군)에서 혈류회복에 따른 하지구제 (limb salvage)가 우월함을 확인함.

GFP라는 녹색형광물질을 표지한 유도혈관내피세포를 실험용 생쥐의 하지 근육에 주사한 후 관찰하면 BS-1 lectin 으로 표지되는 혈관의 일부분에 유도혈관내피세포가 들어간 것을 확인할 수 있음. 곧 동물 체내에서 유도혈관내피세포가 실제로 기능을 할 수 있음을 보여줌.