바이오인

핵심내용

-고려대 김종훈 교수팀, Gastroenterology지에 실려 -

 □ 교육과학기술부(장관 이주호)는 ‘21세기프론티어 세포응용연구사업단의 고려대학교 생명과학대학 김종훈 교수팀이 줄기세포의 이식 없이, 이들 세포가 분비하는 단백질만을 체내에 투여하여 각종 질병을 치료할 수 있는 능력을 규명했다고 밝혔다.

 ○ 이번 연구결과는 세포이식을 수반하는 고전적 줄기세포치료의 개념을 탈피하여 보다 안전하고 임상적용이 용이한 새로운 차원의 줄기세포를 이용한 치료방법을 제시하였다는 점에서 학계의 주목을 받고 있다.

□ 기존의 줄기세포를 이용한 세포 치료 방법은 환자의 치료에 필요한 세포를 줄기세포의 분화를 통하여 획득하고 이를 환자의 체내에 이식하는 방법을 채택하고 있다.

 ○ 그러나 미분화된 줄기세포가 이식될 경우 암과 같은 종약이 생성될 수 있으므로 배아줄기세포를 이용한 임상적용에 큰 걸림돌이 되고 있다.

□ 김종훈 교수팀은 줄기세포로부터 분화된 세포를 직접 이식하지 않고 이들 세포로부터 분비된 단백질만을 투여했을 경우에도 손상된 조직의 자체재생이 촉진되었음을 확인하였다.

 ○ 교수팀은 우선, 기존의 세포치료 방법과 같이 인간배아줄기세포를 간세포로 분화시킨 뒤 간질환 쥐 모델에 이식한 후, 이식된 세포가 죽은 세포의 기능을 대신하는 세포대체 효과를 확인하였다.

 ○ 또한 이식된 간세포가 조직 재생을 유도하는 생리활성 단백질을 분비하여 손상된 부위의 조직재쟁을 촉진시키는 효과를 발견하였다.

 ○ 연구팀은 이렇게 분비된 단백질들이 “QSOX1” 등 조직재생에 촉진인자로 작용하는 단백질들을 다수 포함하고 있으며, 세포이식을 하지 않고 이들 단백질만을 직접 손상된 조직에 투여한 결과 세포증식과 같은 치료효과가 나타남을 최초로 증명하였다

□ 김교수는 “이번에 확인된 200여개의 단백질들을 MFG-E-8을 포함한 9개의 후보물질로 축약하여 각 기능 및 분자기전을 집중 연구하고 있으며, 향후 간질환을 포함한 각종 장기의 손상 치료 및 생체재료와 단백질의약품의 생산 등 다양한 바이오산업에 이용할 수 있다.”고 밝혔다.

□ 연구결과는 소화기계 분야 최고 권위의 국제의학저널인 "Gastroenterology(인용지수: 12)"에 3.9 게재되었다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

Direct and Indirect Contribution of Human Embryonic Stem Cell-Derived Hepatocyte-Like Cells to Liver Repair in Mice

Woo D.H. et al (Gastroenterology - 2012 3월 호 게재)

기존의 줄기세포를 이용한 치료 방법은 줄기세포 자체 혹은 신경세포, 근육세포, 혈관세포 등 환자의 치료에 필요한 세포를 줄기세포로부터 획득한 후 체내에 직접 이식하는 방법을 채택하고 있다. 그러나 체외에서 생산한 세포의 인체 내 직접 이식은 이식된 세포의 생존을 위한 면역억제제의 지속적인 투여가 필요할 뿐 만 아니라 여러 가지 심각한 부작용을 초래할 수 있으므로, 장기간의 연구를 통하여 잠재적 위험에 대한 안전성을 확보해야만 임상적용이 가능하다.

특히 여러 난치성 질환의 치료에 좋은 재료로 사용될 수 있는 만능성 세포인 배아줄기세포 혹은 유도만능세포 (iPS cells)는 이식 후 테라토마 등 종양을 생성할 수 있으므로 현재로서는 잔존 미분화세포의 제거, 순수분리정제 등 많은 기술적 한계성들이 극복되어야 임상적용이 가능하다. 본 연구에서는 이러한 문제점들을 근본적으로 해결하기 위한 대안으로서, 세포의 직접적인 이식을 회피하고 줄기세포로부터 분화된 세포가 분비하는 생리활성인자만을 생체 내에 투여함으로서 손상된 조직의 자체 재생을 촉진시키는 새로운 패러다임의 치료 방법을 제시하였다. 

본 연구에서는 우선 인간배아줄기세포 및 유도만능줄기세포 (iPS cells)를 리티움 (lithium) 과 성장인자 3가지를 처리하여 고수율의 간세포로 분화시키는 분화기법을 개발하였다 <그림 1 상>. 이러한 분화기법으로 인간배아줄기세포로부터 분화된 간세포가 인간 정상 간세포와 동일한 유전자발현 및 단백질 합성 능력, 그리고 동등한 여러 생화학적 능력을 보유하고 있음을 다각적인 면에서 증명하였다 <그림 1 중, 하>. 또한 세포치료적 효능을 검증하기 위하여 간질환 모델 동물에 줄기세포로부터 분화된 간세포를 이식해 본 결과, 이식 후에도 정상 간세포의 여러 특성 및 기능을 보유하면서 손상된 조직을 대체하는 효과가 있음을 증명하였다 <그림 2>.

더불어 본 연구팀은 인간배아줄기세포로부터 분화된 간세포가 이식된 후 여러 종류의 단백질들을 손상된 조직부위에 분비함으로서 손상된 조직 자체의 자발적 재생을 현저하게 촉진시킴을 밝혔다. 연구팀은 프로테오믹스 기법을 이용하여 이 분비단백질들이 손상된 조직의 세포증식, 새로운 혈관 생성, 죽은 세포의 제거 및 조직의 재구성 등 조직재생의 필수적 생체반응을 촉진하는 단백질들을 다수 포함하고 있음을 증명하고 관련된 신규 후보 단백질들을 발굴하였다. 가장 중요한 발견으로 본 연구에서는 세포의 이식 없이, 줄기세포로부터 분화된 세포가 생산하는 분비 단백질들만을 주입하였을 경우에도 유의성 높은 치료효과가 나타남을 세계 최초로 밝힘으로서 보다 안전하고 임상적용이 가능한 새로운 차원의 치료적 접근 방법을 제시 하였다 <그림 3>.

그 림 설 명 (연구성과)

<그림 1> 인간 배아줄기세포 및 유도만능줄기세포로부터 간세포로의 분화 및 생산된

간세포의 기능성 검증

상: 간세포분화유도 모식도 [분화유도시에 배아체 (EB)형성 과정 중 리티움 (LiCl)을 처리한 뒤 세 가지 성장인자 (HGF, OSM, DEX) 처리] 

중: 간세포로서의 형태적 특성과 표지인자 보유검증 (좌측) 및 간세포 분화율 (우측)

하: 간세포로서의 생화학적 기능성 검증 [GGT: 태아간세포-특이 효소생산 염색 (주황색) / PAS: 글리코겐합성염색 (보라색) /우측도표: 우레아분비능력]

<그림 2> 분화된 간세포의 생체 내 이식을 통한 손상조직 대체 효과

상: 녹색으로 표지된 간세포를 정제 후 간이 손상된 마우스에 이식 (분홍색은 실험 대조군 세포)

중: 이식된 세포가 간조직내에서 생존함을 생체 영상으로 분석하고 (좌측 맨 아래: 맨 위와 중간은 실험 대조군 / 빨간색, 파란색, 녹색 등의 색상이 이식 후 생존하는 세포를 나타냄), 간조직의 면역화학염색기법으로 검증함 (우측: 위쪽 검은색 아래쪽 붉은색 세포가 마우스 간조직 내에서 생존하는 배아줄기세포-유래 인간 간세포)

하: 이식된 간세포가 분비하는 인간 알부민이 이식받은 마우스의 혈액 내에서 검출됨을 두 가지 방법 (좌측: 웨스턴블롯, western blot / 우측: 엘리자, ELISA)으로 증명   

<그림 3> 세포이식 없이 분비단백질만의 주입에 의한 조직재생 효과

좌: 줄기세포로부터 분비된 단백질 (secretome)만을 수획하여 LC-MS/MS 방법으로 분비단백질군 내의 각 단백질을 동정하고, 세포이식 없이 분비단백질만을 간조직이 손상된 마우스에 투여

우: 조직분석 결과, 세포를 직접 이식 하지 않고 분비 단백질 (secretome) 만을 주입했을 경우에도 손상된 조직 내에서 증식하는 세포의 수 (맨위: BrdU, 검은색)와 혈관생성 (중간: PECAM, 붉은색) 이 대조군 (control)에 비하여 현격히 증가하며, 손상된 조직의 분포 (맨 아래: fibrin, 붉은색)가 감소함을 증명함으로서 조직재생효과를 검증  

용  어  설  명

□ 배아줄기세포 : 수정란 배반포기의 내부세포괴에서 추출한 세포로 자가재생능력 (Self-renewal: 무한증식능력)을 지니고 모든 세포로 분화할 수 있는 다능성 (pluripotency)의 특성이 있다.

□ 프로테오믹스 : 프로테옴 (proteome)은 인체내 특정 세포나 특수 상황에서 만들어지고 작용하는 단백질의 총합을 뜻하며, 프로테오믹스는 이 프로테옴을 대량으로 분석하는 기술을 일컫는다.

□ 세크레톰 : 프로테옴 중 세포가 분비하는 각종 단백질의 총합은 세크레톰 (secretome)이라 일컫는다.