바이오인

1. 기술의 정의

가. 초기 배아 발생

척추동물에서 배아 발달 과정은 모양, 크기, 발달 시기에서 종 (species) 마다 많은 차이를 보인다. 개구리는 체외에서 배아 발달이 진행되며, 생쥐나 인간은 자궁 내에서 발달되고, 닭은 알 내부에서 배아 발달이 이루어진다. 개구리나 닭은 배아의 관찰과 쉽게 얻을 수 있는 이점을 가지고 있어 발생학에서 많은 연구가 진행되어 왔다. 자궁 내에서 배아 발달과정 모델로서 생쥐를 사용하고 있고, 생쥐 배아 줄기세포를 이용한 체외 발달 과정의 유전자 발현이나 형태 발생에 대한 연구가 가능해 졌다. 하지만 포유동물의 발생은 자궁 내에서 진행되어 발생 단계에서의 세포-세포소통 및 유전자 발현, 국소분비인자의 기능, 배아의 형태발생에 대한 연구가 쉽지 않다.

생쥐의 수정란은 난할과정을 지나 초기 배반포 (early blastocyst)가 되고, 내세포 집단 (inner cell mass; ICM)과 영양외배엽(trophectoderm) 으로 첫 번째 분화가 일어난다. 후기 배반포 (late blastocyst)로 발달하게 되면 내세포 집단은 양막을 형성할 수 있는 초기 내배엽 (primitive endoderm)과 배반엽상층 (epiblast)으로 두 번째 분화가 진행된다. 배반포를 이루고 있는 내세포 집단과 영양외배엽 세포로부터 각각 배아줄기세포(embryonic stem cells; ESCs)와 영양막 줄기세포 (trophoblast stem cells; TSCs)를 체외 배양을 통해 확립이 가능하다. 배아줄기세포는 내세포집단과 같이 우리 몸을 구성하는 모든 세포로의 분화가 가능하다.

생쥐의 배반포는 자궁에 착상 후 배반엽상층 내부에 구멍이 생성되며, 근거리-원거리 축 (proximal-distal axis)이 만들어 지면서 원통형의 알 (egg cylinder)을 형성한다. 배반포의 영양 외배엽 세포는 태반을 형성하기 위한 전구세포인 배아 외 외배엽 (extraembryonic ectoderm)과 배아 외 체강 (extraplacental cone)으로 분화가 진행되고, 배아 외 외배엽의 세포들은 컵 모양을 형성하며 배반엽상층에 인접하여 국소분비인자의 분비를 조절한다. 초기 내배엽 세포는 외장 내배엽 (parietal endoderm)과 내장 내배엽 (visceral endoderm)으로 분화가 되고, 내장 외배엽은 배반엽상층과 배아 외 외배엽을 둘러싸며 발달 과정 동안 난황낭 (yolk sac)을 형성한다.

배아 발달 6일이 지난 생쥐의 원통형의 알은 국소분비인자의 농도, 억제 인자들의 조절에 의해 앞-뒤 축 (anterior-posterior axis)이 형성 되고 배반엽상층은 외배엽 (ectoderm), 중배엽 (mesoderm), 내배엽 (endoderm)으로 분화를 시작한다. 특히 배아 외 외배엽과 배반엽상층과의 세포-세포 소통 및 국소분비인자의 조절을 통해 원시생식세포 (primordial germ cells)의 분화가 진행된다.

[그림 1. 생쥐의 착상 전과 착상 후 배아의 형태 변화]

<출처 : Amold et al,, Nat. Rev. Mol. Biol., 2009>

나. 합성배아 (Synthesis embryo) 기술

만능성 줄기세포인 배아줄기세포는 체외나 체내에서 몸을 구성하는 모든 세포로의 분화가 가능하다. 배아줄기세포를 체내에서처럼 배아로 발달시키는 것은 줄기 세포 연구의 궁극적인 목표 중 하나로 여겨지고 있다. 일반적으로 체외 분화는 배양유사세포덩어리 (embryoid body)형성을 통한 방법을 이용하여 분화를 유도하게 된다. 이러한 세포 분화방법은 체내 형태발생 단계를 모사하기 어렵고, 많은 세포가 필요하며, 외배엽, 내배엽, 중배엽이 섞여 있는 하나의 세포 덩어리로 형성된다.

2014년 캠브리지 대학의 연구팀은 배아줄기세포를 사용하여 배반엽상층의 초기 형태발생 (morphogenesis)의 변화를 체외에서 확인하였다. 착상 이전 배아 (peri-implantation embryo)의 배반엽상층은 발달 과정 중 (배아발달 4.75일)에 세포의 극성화 (polarization)가 진행되고 배반엽상층 내부에 구멍 (proamniotic cavity)이 형성된다. 배반엽상층에 형성된 구멍은 원통형 알내부의 관 모양의 동굴을 형성한다.

배반엽상층의 형태발생의 변화는 배반엽상층 내부 세포의 사멸의 기작이 아닌 것으로 확인 되었고, 배반엽상층의 외부에 존재하는 기저 영역 (basal domain)에서 전달하는 Integrin 신호전달에 의해 진행된다. 이러한 신호전달은 배반엽상층 세포의 극성화 및 배반엽상층의 중앙부분에 존재하는 정점 영역 (apical domain)의 수축을 조절하고, 배반엽상층은 장미모양 (rosette)의 형태로 변한다.

연구진은 배아줄기세포를 세포외기질 (extracelluar matrix)인 matrigel 내부에서 배양을 시도하였다. 2개에서 3개의 배아줄기세포는 세포외기질 안에서 증식하여 공 모양을 형성하였다. 세포외기질에서의 36시간 배양을 유지하면 공 모양의 세포들은 장미모양으로 형태발생이 진행 되었다. 특히 세포외기질은 배아의 기저 영역과 같은 역할을 하여 배아줄기세포의 극성화의 유도가 가능하였다. 세포외기질에서 배아줄기세포의 배양 방법은 착상 이전 배아 형태 발생을 체외에서 모사 할 수 있는 시스템으로 적합하였다.

그러나 세포외기질에서 배아줄기세포의 배양으로 하나의 개체로 발달시키는 것이 불가능하다. 배반엽상층의 발생, 축의 형성, 그리고 삼배엽의 분화는 영양 외배엽에서 유래된 배아 외 외배엽과 배반엽상층과의 세포-세포 소통, 국소분비인자의 활성이 중요하다. 배아줄기세포만으로 세포외기질에서의 체내 배아 발달 모사의 실패는 영양 외배엽세포의 부재로 여겨진다.

2017년, 캠브리지대학 연구팀은 배아 외 외배엽의 분화가 가능한 영양막 줄기세포를 이용해 체내 배아와 같은 형태 발생을 체외에서 시도 하였다. 배아를 형성할 수 있는 배아줄기세포와 태반을 형성할 수 있는 영양막 줄기세포를 같은 세포외기질 공간에서 3차원 (3D) 공동 배양을 하였다. 공동배양 된 배아줄기세포와 영양막 줄기세포는 서로 연결되어 체내 착상 후 배아처럼 원통형 알 형태를 보였다.

착상 후 배아의 첫 번째 형태발생은 배반엽상층 내부에 구멍 (pro-amniotic cavity)이 형성되는 것이다. 연구진은 공동배양 된 배아줄기세포-영양막 줄기세포 유래 배아 (embryonic stem cell and trophoblast stem cell derived embryo; ETS embryo)의 배아줄기세포 내부에서 구멍이 형성되는 것을 확인하였다. 게다가 공동배양 84시간 후에 영양막 줄기세포 집단의 내부에서 구멍이 형성되고, 96시간이 지나면 배아줄기세포 집단의 내부의 구멍과 영양막 줄기세포 집단의 구멍이 서로 연결 되는 것을 확인 하면서 체내 착상 후 배아 발달에서 필요한 형태발생이 배아줄기세포-영양막 줄기세포 배아를 통하여 체외 모사가 가능한 것을 보여주었다. 연구진은 또한 배아줄기세포-영양막 줄기세포 유래 배아를 이용하여 형태발생에 필요한 국소분비인자의 종류, 기능을 체외에서 실험이 가능하다는 것을 보여줌으로써 배아줄기세포-영양막 줄기세포 유래 배아가 착상 후 배아의 모델로서의 사용이 가능하다는 것을 보여주었다.

배아줄기세포-영양막 줄기세포 유래 배아를 체외에서 100시간 이상 배양하면 앞-뒤 축 형성과 함께 중배엽의 분화를 brachyury 유전자의 발현의 변화로 확인 할 수 있었다. 이러한 결과는 배아줄기세포-영양막 줄기세포 유래 배아는 세포 집단 내부의 구멍과 같은 형태발생 뿐만 아니라 삼배엽의 분화 및 축 형성도 가능하다는 것을 보여준 것이다. 게다가 배아줄기세포-영양막 줄기세포 유래 배아를 120시간 이상 배양하면 영양막 줄기세포와 배아줄기세포의 세포-세포 소통 및 국소분비인자의 반응으로 원시생식세포가 배아 안에서 형성되는 것을 보여주었다. 배아줄기세포는 체외에서 배반엽상층 줄기세포 (Epiblast stem cell like cells; EpiLCs)로의 분화 후에 원시생식세포 분화 배양액에서 배양을 하여 원시생식세포로의 분화가 가능하다. 여기서의 배양액에는 다양한 국소분비인자가 필요하다. 하지만 배아줄기세포-영양막 줄기세포 유래 배아에서는 세포-세포 소통에 의해 형태발생 및 원시생식세포를 형성할 수 있다는 점에서 놀라운 발견이다.

[그림 2. 생쥐 합성배아 형성 기술]

<출처 : Harrison et al., Science, 2017>

다. 기술 응용 및 필요성

(1) 초기 발생의 제어시스템 개발

배아의 형태발생, 축 형성 및 삼배엽 분화는 다양한 유전자 발현 조합과 국소분비인자의 작용에 의해 진행된다. 포유류 배아 발생은 자궁 안에서 이루어지기 때문에 유전자 조작 및 발생의 조절이 어렵다. 합성배아 기술과 유전자 조작 기술을 응용하면 체외에서 초기발생단계에 특정 세포로 분화를 조절이 가능하고 초기 발생에 대한 이해도를 높일 수 있다.

(2) 합성배아 형성을 통한 체외 장기 형성 기술 개발

배아줄기세포를 체외에서 특정 세포로 분화하는 방법은 효율이 낮고, 가격이 비싼 성장인자들과 배양액을 사용하는 단점을 가지고 있다. 게다가 만능성 줄기세포로부터 체내 분화한 세포와 체외 분화한 세포의 유전자 발현패턴을 비교해보면 약간을 차이를 보인다.

최근에는 만능성 줄기세포에 체내 분화와 유사한 환경을 제공하거나 세포외기질을 사용하여 3차원 배양을 시도하여 체내의 장기와 유사한 오가노이드를 형성하는 기술을 개발하였다. 이러한 오가노이드 분화 시스템은 특정 장기의 형성에 관련된 성장인자나 배양액을 사용하여 오가노이드 내에 혈관형성이나 복잡한 장기의 완성이 어렵다.

합성배아의 기술을 응용하고 발전시켜 초기 기관형성을 유도하고, 오가노이드 기술과의 융합을 통해 체외에서 장기를 형성이 가능할 것으로 보인다. 특히 합성배아의 기술을 사용할 경우에 체외 장기 형성 방법의 단계를 축소하고, 체외에서 완전한 장기를 형성하는데 적합한 기술로 예상된다.

(3) 인간 체외 합성배아 기술을 이용한 초기 발생 기작 이해

인간의 실제 착상 된 배아를 사용하여 연구를 진행하는 것은 윤리적 논란을 낳을 수 있다. 인간 합성배아를 사용하여 인간의 발생과정을 연구가 가능하다면 발생 단계에서의 장기 형성 결함, 질병에 대한 이해도를 높일 수 있을 것이다. 인간 합성배아를 이용하여 만든 체외 형성 장기를 이용하여 신약 개발, 유전자 기능 연구, 그리고 생식기관 형성을 통한 생식세포의 분화도 가능하여 불임치료에도 기여할 것으로 보인다.

2. 국내외 동향

가. 국외 동향

전 세계적으로 많은 연구진들은 생쥐 및 인간의 배아를 이용한 초기 발생의 형태발생에 대한 연구를 진행하고 있고, 합성배아의 형성 기술 개발과 응용, 초기 발생 기작에 대한 연구를 진행하고 있다.

합성배아나 초기 배아의 형태발생에 대한 연구는 영국 캠브리지 대학의 연구팀에서 활발히 진행되고 있고 많은 논문이 보고되고 있다. 영국 캠브리지 연구팀은 배아줄기세포를 세포외기질에서의 배양을 통한 착상 전 배아의 형태발생을 보여주었고, 더 나아가 영양막 줄기세포를 공동 배양하여 3차원 기질 하에서 결합하여 초기 배아 발생과정을 관찰하고 삼배엽 분화 및 형태발생이 가능하다는 것을 보여주었다. 게다가 성장인자나 사이토카인의 사용 없이 세포-세포 소통과 세포에서의 국소분비인자의 분비를 통해 생식세포의 특성화가 일어나는 것을 보여줌으로써 체내 배아의 형성의 모사가 가능하다는 것을 확인하였다.

최근 미국 록펠러 대학 연구팀은 생쥐 세포로 가능한 배아줄기세포-영양막 줄기세포 유래 배아 실험을 인간줄기세포를 사용하여 합성배아의 체외 형성이 인간 세포에서도 적용이 가능하고 재현이 되는지 검증을 하고 있다. 생쥐의 배아 발달은 인간 배아발달과 비교하여 착상 후 배아의 형태, 세포-세포 소통, 국소분비인자의 기능에서 차이를 보인다. 인간 합성배아 기술을 개발하려면 인간 영양막 줄기세포의 확립 및 유지, 인간 만능성 줄기세포와의 3차원 배양, 착상 후 인간 배아 모사 형태 발생, 분화 배양액 개발에 대한 연구가 필요한 실정이다.

배상배엽 (embryonic disc)과 양막 외배엽 (amniotic ectoderm)의 형태발생을 통한 양막낭 (amniotic sac)의 발달은 착상 후 인간 배아 발달에서 필수적인 요소이다. 2017년 미시간대학교 팀은 인간만능줄기세포를 사용하여 양막 외배엽과 배반엽상층의 형성과정을 체외에서 관찰하였다. 연구진은 인간 배아 형태 발생 모델을 인간 만능성 줄기세포를 3차원 배양을 하여 체외 착상 후 양막낭 배양체 (post-implantation amniotic sac embryoid)를 형성하여 보여주었다. 이 인간 배아 모사 모델은 체외에서 배양을 지속시키면 원조 (primitive streak) 단계의 발생이 진행되었다.

나. 국내 동향

최근까지 국내에서 만능성 줄기세포인 배아줄기세포나 역분화 줄기세포를 이용하여 체외 분화에 대한 연구는 활발히 진행되고 있다. 하지만 국내 연구진에 의한 만능성 줄기세포와 영양막 줄기세포를 이용한 합성배아에 대한 연구 결과가 보고 되지 않고 있다. 국내 많은 연구진들은 만능성 줄기세포를 이용하여 소형화된 장기 유사체의 분화 방법 개발, 기능에 대한 연구를 활발히 진행하고 있고, 연구비 투자 또한 집중되고 있다. 합성배아에 대한 연구 및 기술개발 및 소형화된 장기 유사체 기술과의 융합은 체외 장기 형성 기술 개발에 극대화 효과를 보일 것으로 보인다.

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