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출처: biozine

인공장기개 발에 있어 줄기세포공학의 중요성

이 해 방 / 한국화학연구원 생체의료고분자팀

1. 서론

최근 재생의학 을 이용한 조직공학적 인공장기 제조 기술은 환자자신의 세포를 이용하여 고장나고 질병으로 손상된 본래조직 의 복원이나 대체조직을 체외에서 제조하는 것으로써 차세대 인공장기 제조법으로 각광을 받고 있으며 이는 21세기 신산업으로 부상되고 있는 생명공학사업에 필수적인 요소로 떠오르고 있다. 이들의 이론적인 개념은 세포의 재생과 이들이 성장할 때 지지체가 되어주는 담 체, 즉 인공기질이 근간이 된다. 그림1은 본 연구팀에 의하여 시도되었던 조직공학적 인공연골의 일례로써 귀와 코 모양을 가진 생 분해성 고분자 (폴리글리콜라이드로써 이는 흡수성 봉합사로 많이 사용된다) 틀에 토끼나 사람의 연골세포가 파종된 것으로써 시간이 지 나면 자연히 생분해성 고분자는 분해되어 흡수됨과 동시에 연골세포는 자라나서 본래 연골의 역할을 대신하게 된다. 이론적으로는 뇌를 위시 한 몇몇 장기를 제외하고는 인체내 모든 장기를 이와 같은 방법으로 제조할 수 있으며 실제로 국내외 연구진에 의하여 심도 깊은 연구 를 수행하여 가시적인 연구결과를 내놓고 있으며 다국적 제약회사를 비롯 국가정책적으로도 우리나라를 비롯 구미선진 각국에서 대규 모로 투자가 이루어지고 있다.

2. 간엽줄기세포의 중요성

그러나 상기한 이론적 개념의 중요한 하나인 세포의 재생에 있어서 자신의 세포를 채취후 대량배양 하는 과정에 있어서 세포의 채취 및 대량배양이 용이하지 않다. 일례로 연골세포의 경우, 퇴행성 질환을 갖고 있는 경우의 대부분의 환자들이 노령화로 인 한 세포의 배양이 쉽지 않음이 밝혀진 이후 간엽줄기세포 (Mesenchymal Stem Cell, MSC)의 비교적 용이한 채취방법과 대량배양법과 그리 고 더욱 중요한 것은 싸이토카인의 적절한 변화로 인하여 인체조직세포의 각 부분을 얻을 수 있다는 특징 때문에 최근 주목받고 있다. 또한 배아줄기세포 (Embryonic Stem Cell, ESC)에 비하여 윤리적인 문제가 전혀 야기되지 않음도 장점으로 떠오르고 있다.

그림 2에는 bone marrow에서 채취되어 혈액과 분리된 MSC의 대량배양 후 인체의 각 장기에서 필요한 세포로 분화하 는 과정 (mesegenic process)을 나타낸 것으로 골형성 과정에 의한 골아세포 및 골세포 변환, 연골형성 과정에 의한 연 골세포 변환, 근발생 과정에 의한 근아세포 및 근관 변환, 인대형성 및 건형성 과정에 의한 인대 및 힘줄 변환, 그리고 지방세 포화, 피부세포화 및 간질세포 변환이 일어나는 과정을 보여주고 있다. 중요한 것은 이러한 발생 및 변환과정에 있어서 세포배양 환경을 외부에서 사이토카인류 등의 생리활성물질들을 조절해 줌으로써 실험관에서 변환시킴이 알려짐으로 인하여 많은 연구가 수행되 고 있다. 일례로 뼈세포화 과정에 있어서는 덱사메타손과 아스코빈산, 그리고 연골화에 있어서는 변환성장인자-베타 1,3 (TGF-β 1,3) 및 인터류킨 - 2,6 (IL-2,6) 등이 관여하는 것으로 알려져 있다.

3. 간엽줄기세포로부터 연골세포화 및 뼈세포화

그림 3에는 본 연구실에서 최근 수행된 연구로 MSC의 펠렛배양을 보여주는 것으로써 일정량의 MSC 세포를 체외에서 대량배양 후 시험관 바닥에 덩어리 모양의 배양으로 처음 14일은 연골분화를 위하여 10 ng/mL 농도의 TGF-β3와 100 nM의 덱사메타손을, 그리고 다음 14일 동안은 이들의 증식을 위하여 TGF-β 3를 제거하고, 50 ng/mL의 싸이록신, 20 mM의 β-글리세롤포스테이트 및 1 nM의 덱사메타손을 배양하 여 이들의 사프라닌-O 염색 및 콜라겐 II 염색을 수행한 것으로 연골분화가 일어남을 보여주고 있 다.

또한 그림 4에 는 알긴산에 TGF-β1와 MSC을 혼입하여 제조한 미립구로부터 연골세포화를 나타낸 것으로써 TGF-β 1의 서방화에 의하여 14일 후에 연골세포화가 훌륭히 일어남을 보이고 있어서 사이토카인류의 조절이 세포분화에 중요한 인자임을 나타내고 있다.

그림 5에는 MSC 의 뼈세포화를 진작시키기 위하여 덱사메타손과 비타민 D를 동량으로 조절된 DMEM 중에서 MSC를 생분 해성 고분자 담체에 배양하여 H&E 및 본-쿠사 염색을 수행한 것으로 뼈세포화가 훌륭히 수행됨을 나타내고 있 다.

4. 결론

최근에는 MSC 세포가 아닌 타세포로부터 원하는 특정한 세포로 전환하는 기술 즉, 예를 들면 지방세포로부터 TGF-β 및 비타민 C를 적절히 사용하여 연골세포로 변환시키는 기술등이 속속들이 개발되고 있다. 또한 근육세포 내에서 분화된 근육줄기 세포 (muscle stem cell)를 이용한 각 기관의 분화에 연구 중이다. 근육줄기세포로부터 뼈형성인자-2 (BMP-2)의 조절로 뼈세포 를, 신경성장인자 (NGF)의 조절로 신경세포를, FGF-β의 조절로 섬유아세포를, 혈관내피세포성장인자 (VEGF)의 조절로 혈관내 피세포를, 인슐린성장인자-1 (IGF-1)의 조절로 연골세포의 변환 및 분화가 성공적으로 수행됨이 보고되고 있다.

이상과 같이 최 근 인간질병 치료 차원에서의 재생의학에 의한 인공장기 개발에 있어서 기술의 진보 및 변화는 타 분 야에 비하여 상당히 빠르며 또한 여러 분야 즉, 생명공학·재료공학·생물학·유전학·의학·약학 등의 다양한 학문적 배경을 갖고 있는 것이 특징이다. 다라서 최종 수요자인 의사의 긴밀한 감독하에 부단한 학문간의 교류와 산·학·연의 긴밀한 연구체제구축 및 끊임없는 연구협조 또한 필수적이다.

본 기술과 관련 이 되는 시장규모는 '98년 미국에는 10억불 (1조 3천억원)에 이르르며 또한 2005년에는 약 200억불 (26조원) 및 국내시장도 약 1조원 이상으로 예상하고 있다. 본 연구특성상 생명현상을 이해하는 기초 학문분야의 활성화와 함께 기술파급은 국민의 건강과 보건향상이라는 면과 직접 관련이 있기 때문에 시장성 이상의 국민적 자긍심과 함께 새로운 기술개 발의 선진화 측면에서 중요하리라 기대한다.

그림 1. 본연구팀에 의하여 시도된 조직공학적 인공연골의 대표적인 예.

그림 2. MSC의 분리후, 대량배양하여 인체의 각 장기로 분화하는 과정

(a) Safranin- O 염색 (b) Collagen II 염색

그림 3. MSC의 펠렛배양과 여러가지 사이토카인류의 조절에 의하여 연골세포화가 이루어진 다.

(a) 알긴산 미 립구 (b) TGF-β1가 서방화되는 모습 (c) Safranin-O 염색

그림 4. 알 긴산의 미립구화에 의하여 사람의 MSC를 연골세포화한 14일째 사진으로써 그래프와 같이 서방화된 TGF-β 1 가 연골세포화를 유도하는 것으로 추측되고 있다.

(a) H&E 염색 (b) 본-쿠사 염색

그림 5. 덱사메타손과 비타민 D의 조절로 MSC의 뼈세포화가 일어남을 보여준다.