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[BRIC View 리뷰논문요약]

임상적용을 위한 생물공학적 기술을 이용한 줄기세포 배양법

한민준(아스트라제네카) 

요약문

유도 만능 줄기세포(induced pluripotent stem cells)가 여러 가지 다양한 질병의 치료를 위한 제품으로 사용되기 위해서는 대량생산(large scale production)이 필수적으로 요구된다. 하지만, 현재까지 개발된 유도 만능 줄기세포의 배양 조건은 MEF (mouse embryonic fibroblastfeeder), matrigel, vitronectin과 같은 기질(matrix)의 사용이 요구되며 이러한 배양 조건은 유도 만능 줄기세포의 특성인 다분화능의 상태(pluripotent state)에 큰 영향을 미치게 되어 그동안 임상시험에 필요한 대량생산에 큰 문제점 중의 하나였다. 따라서 임상시험에 필요한유도 만능 줄기세포의 대량생산의 개발은 필연적으로 여러 줄기세포의 특성(다분화능, 세포성장, 세포 생존능력)을 실시간으로 모니터하면서 측정할 수 있는 방법들과 함께 공동으로개발되었다. 더군다나 이러한 줄기세포의 대량생산을 위해서는 세포가 기질에 부착되어 배양하는 2D 방식이 아닌 세포가 배양액에 부유하면서 배양하는 3D 방식의 세포배양법이 반드시 필요하다. 본 리뷰에서는 이러한 대량생산에 필요한 다양한 세포 배양액(cell culturemedia), 부유 생산 방식(suspension modalities), 생산에 필요한 품질관리(quality control)와모니터 기술들에 대해 논의하고자 한다.

Key Words: iPSC, Bioprocess, large-scale production

본 자료는 Bioprocess Technologies that Preserve the Quality of iPSCs. Trends Biotechnol.(2020).의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목 차

1. 줄기세포 생산의 도전 과제들

2. 최적화된 유도 만능 줄기세포 배양법의 개발

3. 유도 만능 줄기세포의 부유배양생산을 위한 주요 고려 사항들 

  3.1. Aggregates 

  3.2. Microcarriers 

  3.3. Microencapsulation

4. 유도 만능 줄기세포 생산에 필요한 품질관리(QC)5. 결론

1. 줄기세포 생산의 도전 과제들

줄기세포와 연관된 다양한 세포치료 방법은 그동안 여러 분야(종양학, 심장병학, 면역학그리고 신경학)에서 시도되었고 임상시험을 통해서도 좋은 결과를 보여주고 있다. 먼저 배아줄기세포(embryonic stem cell)는 pluripotency와 self-renewal 같은 줄기세포가 가지고 있는 특성을잘 간직한 세포이기에 이를 이용한 세포치료의 좋은 모델이었다. 그렇기 때문에 배아 줄기세포를처음 발견하였을 때부터 재생의학의 적용을 고려 해왔고, 실제로 많은 긍정적인 결과를나타냄으로써 오랜 시간 세포치료의 훌륭한 재료로 사용되어왔다. 2007년 Dr. Yamanaka와 그의동료들이 인간의 체세포를 역분화 시켜 처음으로 배아줄기세포와 매우 유사한 줄기세포를성공적으로 생산해내는 기념비적인 기술을 선보였다. 이 줄기세포는 나중에 “유도 만능줄기세포(induced pluripotent stem cell)”라 명명되어졌다. 인간의 배아를 희생해서 생성할 수 밖에없는 배아줄기세포와 비교하여 윤리적 종교적 문제에서 자유로운 유도 만능 줄기세포는 다양한연구와 치료에 매우 적합한 환경을 제공할 뿐 아니라 상대적으로 낮은 면역 거부 반응 보여준다.또한 환자 유래의 줄기세포라는 관점에서 여러 가지 다양한 유전적 질병의 모델로 사용이 가능하며 이러한 모델을 이용하여 신약개발과 임상시험의 기회를 제공해 줄 수 있다. 또한, 이러한줄기세포의 특성을 이용하여 환자 유래의 세포를 무한정 제공할 수 있기에 세포치료의 좋은 재료로사용될 수 있다. 앞서 말한 여러 가지 장점들로 인해 유도 만능 줄기세포 기술은 재생의학과 맞춤형치료의 무한한 잠재력을 보여주고 있다. 현재 한 번의 세포치료를 위해서는 cGMP (current GoodManufacturing Practice) 환경에서 배양된 10^8 -10^10 개 이상의 많은 세포가 필요하다. 하지만,줄기세포는 세포 배양시 기질(matrix) 의존도가 높으며 이러한 배양 환경에 따라서 줄기세포의특성을 쉽게 잃어버리는 성질로 인하여 기존의 세포배양법을 적용하여 대량생산을 이루어 내기가어렵다. 따라서 이러한 줄기세포의 대량생산은 우리가 직면하고 있는 커다란 당면과제 중 하나이다.

또한 생산된 유도 만능 줄기세포의 품질 또한 배양과정에서 우리가 면밀하게 관찰하여야한다. 세포 치료를 위한 생산 및 배양과정 중 줄기세포의 특성들(pluripotency와 self-renewal)을 잃지않도록 유지하여야 하기 때문에 세포의 상태(다분화능, 세포 성장, 세포 생존능력)를 실시간으로확인할 수 있는 방법의 개발이 줄기세포의 대량생산에 있어서 필수적이다. 따라서 현재 개발되어있는 여러 배양 기술과 배양액들이 cGMP 기준에 맞게 최적화를 시켜야 하며 대량생산에 필요한 생물 공학적 기술의 개발과 생산 단계에서 줄기세포의 특성들을 실시간으로 모니터링할 수 있는다양한 기술들의 개발이 필수적이다.

...................(계속)

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