바이오인

1. 개요

가. 퇴행성 신경계 질환이란?

퇴행성 신경계 질환(Neurodegenerative disorders)이란 나이가 들어감에 따라 발생하는 퇴행성 질환 중에서 뇌(brain) 또는 척수(Spinal cord)에서 발생하는 질환을 말하며, 현재까지 알려지지 않은 원인 또는 유전적 결함이나 환경적 요인에 의해 뇌와 척수의 특정 뇌세포군의 점진적 구조의 손실 및 기능의 손실에 의해 나타나는 질환을 말한다. 퇴행성 신경계 질환으로 인해 야기된 신경세포 사멸 또는 손상은 뇌신경계의 정보전달에 가장 중요한 뇌신경세포와 뇌신경세포 사이의 정보를 전달하는 시냅스의 형성이나 기능상의 문제, 뇌신경의 전기적 활동성의 이상적 증가나 감소를 야기하는 것으로 알려져 있다. 뇌와 척수의 신경세포들은 위치에 따라 매우 다양한 기능을 하고 있어 특정 부위의 신경세포 손상에 의해 특징적인 기능장애를 유발하며, 또 이러한 기능장애가 어떤 형태로 진행되는가에 따라 매우 다양한 임상 양상을 보인다. 이러한 퇴행성 신경계 질환에는 루게릭병으로 알려진 근 위축성 측삭 경화증(Amyotrophic lateral sclerosis: ALS), 파킨슨씨병(Parkinson’s disease: PD), 알츠하이머병(Alzheimer’s disease: AD) 및 헌팅턴병(Huntington’s disease: HD), 다발성 경화증(Multiple sclerosis: MS) 등이 있다.

[그림 1. 알츠하이머병 환자의 뇌]

출처 : www.dreamstime.com

나. 줄기세포란?

줄기세포(stem cell)는 태생기 전능세포(pluripotent cell), 즉 모든 조직의 세포로 분화가 가능한 능력을 가진 세포를 지칭한다. 이는 어떤 조직으로든 발달할 수 있는 세포를 의미하며, 줄기세포는 주로 초기 분열 단계의 배아로부터 채취된다. 이 단계의 세포는 아직 장기 형성 능력이 없으므로 사전에 입력하는데 따라 특정하게 선택한 세포(cell line)로 배양될 수 있다. 줄기세포에는 배아줄기세포(Embryonic stem cell), 성체줄기세포(Adult stem cell), 유도만능줄기세포(Induced pluripotent stem cell)등이 있다. 배아줄기세포는 남성의 생식세포인 정자와 여성의 생식세포인 난자의 수정으로 생성된 수정란으로부터 이 어머니 뱃속에서 아기로 성장할 때 약 2조개의 세포가 생기는데 배아줄기세포는 이러한 다양한 종류의 세포로서 분화할 수 있는 능력을 가지며, 전분화능 줄기세포라고도 한다. 대량증식이 가능하며 거의 모든 신체세포로 분화가 가능하며 면역거부반응이 없어 타인과 타종에게 이식이 가능하다. 그러나 분화조절이 어려워 암세포로 될 가능성이 있어 기술의 정밀함을 요하며, 수정란의 파괴로 윤리적 문제가 제기될 수 있다.

성체줄기세포는 신체 각 조직에 극히 소량만이 존재한다. 특정한 조직을 구성하는 세포로 즉, 골수세포는 혈구세포로, 피부줄기세포는 피부로, 후각신경세포는 후각신경세포로만 분화되도록 정해진 세포이다. 대표적인 예로 다능성 조혈모세포가 있다. 항상 우리 몸을 건강한 상태로 유지하는데 필요로 하는 최소한의 세포를 제공해 주는 세포이다. 어떤 손상이 발생하면 다른 장기에 있던 줄기세포가 몰려와서 손상된 조직으로 변하는 분화의 우연성이 있다. 분화가 안정적이어서 암세포 가능성이 없고, 이미 임상적 적용이 가능한 단계까지 왔다. 배아줄기세포와는 다르게 수정란의 파괴가 없어서 윤리적으로도 문제가 되지 않는다. 그러나 얻을 수 있는 줄기세포수가 적고, 배양이 어려우며 특정 세포로만 분화가 가능한 단점이 있고, 또 면역 거부 때문에 기증, 공여가 안 된다.

 2007년 일본의 연구진에서 유도만능줄기세포에 관한 논문이 발표된 이후로부터 최근까지 가장 활발히 연구가 진행되고 있는 분야인 유도만능줄기세포는 흔히 ips 줄기세포로 흔히 불리며 신체 어느 곳을 이용해도 배아줄기세포 와 같은 성질의 줄기세포로 역분화가 가능하다는 장점이 있다. 초기화 또는 역분화 라는 말로도 쓰이며 둘의 의미는 사실상 같다. 2007년 일본의 과학자 야마나카 신야를 필두로한 야마나카 팀이 최초로 쥐를 이용한 역분화에 성공하여 인간의 신체의 어느 부분을 이용해도 배아줄기세포와 같은 줄기세포를 만들 수 있다는 희망의 지평을 열었다. 2012년 이같은 공로로 최단시간에 야마나카 신야박사는 2012년 노벨 생리의학상을 받았다. 이것은 인류의 생명공학의 교과서를 통째로 다시 써야할 만큼 위대한 업적이며, 도마뱀이 팔다리 척추등을 모두 스스로 재생하는 재생능력처럼 인간도 이와 같은 재생능력을 얻을수 있다는 21세기 생명공학의 엄청난 업적임에 분명하다.

[그림 2. 퇴행성 뇌질환과 줄기세포에 관한 논문 발표 증가]

출처 : PubMed search

다. 퇴행성 신경계 질환 연구를 위한 줄기세포의 유용성

신경세포는 수정 후, 성체로 발달하는 동안 가장 빨리 분화가 이루어지며, 한번 분화된 이후에는 더 이상 증식을 하지 않는 특성을 갖고 있다. 또한, 인체의 여러 가지 조직 중에서 외부와 철저히 단절, 보호 되고 있는 조직이기 때문에 세포를 추출 후 연구하기가 매우 어려운 특징을 갖고 있다. 이러한 특징들 때문에 줄기세포를 이용한 연구 및 치료의 필요성이 가장 높은 조직으로 인식되고 있다. 특히, 최근에 유도만능줄기세포 제작 기술의 발전으로 인해, 환자-유래 유도만능줄기세포 확보 후, 신경세포로 분화시켜 질병의 기작, 치료제 개발, 세포이식을 통한 치료 등에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

2. 최신 연구동향

가. 유도만능줄기세포를 이용한 알츠하이머병 연구

1) 알츠하이머병(Alzheimer's disease: AD)이란?

알츠하이머병은 치매의 가장 흔한 형태이며 75%의 치매환자가 알츠하이머병이다. 현대 의학에서는 치료할 수 없는 질병으로, 시간이 지날수록 증상이 악화되며 결과적으로 죽음에 이른다. 1906년 독일 정신과의사 Alois Alzheimer에 의해 알려졌다. 대부분의 경우 알츠하이머병은 65세가 넘어 발병하지만, 드물게 그 이전에 발병할 수 있다. 미국에서는 65~74세 인구의 약 3%, 75~84세 인구의 약 19%, 85세 이상 인구의 50%가 이 병을 앓고 있다. 한국에서는 최근 한 농촌지역을 중심으로 한 연구보고에 의하면, 농촌지역 60세 이상의 인구에서 약 21%가 치매양상을 보이고, 이 중 63%가 알츠하이머형 치매인 것으로 보고되고 있다. 2006년 전세계 26.6만명이 가진 질병이다. 2050년에는 85명중 1명꼴로 발병될 것으로 예측된다.

2) 알츠하이머병의 증상

질병의 특성은 개개인마다 다르게 나타나지만 일부 공통적인 증상을 가진다. 초기증상은 노화에 의한 단순한 증상이나 스트레스에 의한 증상으로 오해되는 경향이 있다. 발병 초기에는 이름·날짜·장소와 같은 것들이 기억에서 사라지는 공통된 단기기억 상실을 겪는다. 질병이 악화되면, 혼란, 격한 행동, 조울증, 언어장애, 장기기억상실 등의 증상이 나타난다. 결과적으로 신체기능이 상실되고, 치사에 이른다. 개개인마다 증상이 다르기 때문에 질병이 어떻게 영향을 미칠지 예측하는 것은 어렵다. 알츠하이머병이 의심되면 보통 생각하거나 행동하는 능력을 검사하는 진단이 행해지고 가능한 경우 뇌 검사가 이루어진다. 하지만 정확한 진단을 위해서는 뇌신경에 대한 조사가 필요하다. 알츠하이머병이 발병해도 완전히 확인될때 까지는 보통 많은 시간이 소요되어, 진단이 내려지지 않은 채로 수년간 병이 진행될 수 있다. 발병할 경우 평균 기대수명은 7년이며, 3% 미만이 진단 이후 14년을 넘긴다.

알츠하이머병은 신경변성질환으로 분류된다. 질병의 발병원인은 완전히 이해되지 않은 상태이며, 아밀로이드 플라크가 정상 알츠하이머 단백질을 변형시켜 플라크 덩어리를 형성해 고유기능을 잃어버리게 하는 것으로 추정된다. 병리조직학적으로는 뇌의 전반적인 위축, 뇌실의 확장, 신경섬유의 다발성 병변과 초로성 반점 등의 특징을 보인다.

3) 유도만능줄기세포를 이용한 알츠하이머병 연구

유도만능줄기세포의 제작 방법에 관한 기술은 신경계 질환 연구에 획기적인 전기를 가져왔다. 신경세포의 샘플 확보는 근본적으로 어렵기 때문에 주로 배아줄기세포를 통해 분화된 신경세포를 확보 후, 실험에 적용해왔으며, 환자유래 유도만능줄기세포를 이용해 다양한 신경세포의 분화에 관한 방법들이 개발되고 있다. 현재까지 분화법에 대한 많은 진전이 있어왔으나, 다양한 신경세포의 충분한 양적 확보 기술은 여전히 필요한 것으로 인식되고 있다.

 가) 전뇌 신경세포 (Forebrain neurons)

현재까지 알츠하이머병에 관한 연구를 위해 주로 전뇌에 많이 존재하는 신경세포로 분화시킨 후, 병인에 관한 연구를 진행하고 있다. 전뇌 신경세포로의 분화는 특별한 외부 물질의 첨가 없이 진행되는 신경세포 분화 방법에 의해 이루어지며, 최근에 ‘dual-SMAD inhibition’을 통한 monolayer culture 방법, embryoid body 형성을 통한 방법, cerebral organoid 형성을 통한 방법 등이 개발되고 있다. ‘glutamatergic neuron’ 과 ‘GABAergic neuron’ 모두 알츠하이머 병인 발굴에 관한 연구에 많이 이용되고 있다. 최근에 발표된 논문에 따르면, 환자유래 유도만능줄기세포를 ‘GABAergic neuron’으로 분화시킨 경우 아밀로이드베타에 의한 세포사멸에 좀 더 저항성이 있는 것으로 확인되었다. 즉, 특정 신경세포로의 분화에 따라 다양한 표현형이 나타날 수 있다는 것을 보여준 경우이다.

전뇌의 ‘cholinergic neuron’의 사멸에 의해서 알츠하이머 환자의 공간 학습 및 기억에 관한 결함이 나타난다. ‘Cholinergic neuron’은 알츠하이머 환자의 뇌에서 가장 빨리 사멸되는 신경세포중 하나이므로, 이러한 형태의 세포로 분화시키려는 시도가 꾸준히 진행되고 있다. 전뇌의 발생과정에서 확인되는 다양한 성장인자들의 순차적 처리를 통한 직접 분화 방법이 개발 되었으며, 전사인자의 과발현을 통한 분화유도 방법 또한 보고되었다. 예를 들어, ‘Lhx8’과 ‘Gbx1’의 발현을 유도한 경우 ‘cholinergic neuron’의 분화에 많은 도움이 된다는 것이 보고되었다. 또한 이들은 GFP의 발현을 동시에 유도함으로 FAC-sorting을 통한 정제가 가능하게 함으로 순도 높은 ‘cholinergic neuron’의 확보가 가능한 것을 보여주었다. 이렇게 확보된 환자유래 유도만능줄기세포로부터 분화된 신경세포의 경우 알츠하이머 환자의 신경세포에서 보이는 생화학적 특성들이 잘 보이며, glutamate에 의해 야기된 세포 사멸에 좀 더 민감한 것을 보여주었다.

 나) 성상 세포 (Astrocyte)

신경세포와 더불어 성상세포 또한 알츠하이머 병인에 매우 중요한 역할을 하는 것으로 보고되고 있다. 성상세포와 신경세포는 동일한 전구세포로부터 분화가 진행되며, 두 가지 세포가 혼합되어있는 세포군에서 성상세포 특이 발현 인자를 이용한 세포 분획 및 정제가 가능하다. 세포막 발현 단백질인 CD184 와 CD44의 항체를 이용해 FACS-sorting 분리, 정제한 세포들의 경우, 추가적인 분화 진행을 통해 성상세포로의 분화가 가능하다는 것이 확인되었다. 또한 성장인자의 선택적 처리를 이용해 성상세포로의 분화를 유도하는 방법이 보고되고 있다. 그 가운데 대표적인 물질이 ciliary neurotropic factor(CNTF)와 FGF2이다. 두 가지 성장인자를 함께 처리한 세포의 경우 유도만능줄기세포로부터 더 많은 성상세포의 확보가 가능했다. 비록 인간의 세포를 이용한 방법은 아니지만, 생쥐의 섬유아세포(fibroblast)에 NFIA, NFIB, SOX9의 과발현 유도를 이용한 ‘direct reprogramming’을 진행했을 때 성상세포의 확보가 용이했다는 논문도 보고되었으며, 이는 추후에 양적, 질적으로 우수한 인간 성상세포 확보가 가능할 것이라는 기대를 갖기에 충분한 것이라 할 수 있다.

4) 유도만능줄기세포를 통한 알츠하이머병 치료제 개발의 잠재성 및 한계성

환자유래 체세포로부터 유도만능줄기세포 제작 후, 신경세포나 성상세포의 분화를 유도해 환자 뇌세포 확보 기술은 병인에 관한 연구뿐만 아니라, 치료제 개발에 있어서도 유용한 기술로 이용되고 있다. 환자 유도만능줄기세포 유래 신경세포를 이용해 ‘Chemical library screens’ 방법을 통한 신약 발굴은 기존에 문제되고 있는 설치류를 이용한 약물 발굴에서 나타나는 종간의 특이성에 따른 약물 개발 실패의 한계를 극복 할 수 있는 대안이 되고 있다. 최근의 보고 가운데 한 가지는, cdk2 저해제 가운데 몇 가지가 아밀로이드베타 독성에 의한 세포 사멸을 억제 할 수 있다는 것인데, 위의 결과를 인간 유도만능줄기세포 유래 신경세포와 drug screening 방법을 이용해 얻었다.

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