국내연구진이 유전자 및 저분자 화합물을 사용하지 않고 초음파에 의한 외부환경 전달로 체세포를 일주일만에 대량의 역분화줄기세포를 유도하는 원천기술을 세계최초로 개발해 안전한 자가줄기세포를 이용한 재생의료 시대가 열릴 전망이다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 가톨릭관동대 김순학 교수 연구팀이 초음파를 이용해 일주일 만에 인간피부세포에서 대량의 역분화 줄기세포를 유도하는 원천기술을 세계 최초로 개발했다고 14일 발표했다.

역분화 줄기세포는 유도만능줄기세포(induced Pluripotent stem cells, iPSC)라고도 하며, 분화가 완료된 체세포로부터 인위적으로 분화 이전의 단계로 유도된 세포를 말하며 내배엽, 중배엽, 외배엽 세포로 모두 분화가 가능하다.

1980년대 배아줄기세포의 발견을 통해 기존의 치료법으로는 충족되지 못했던 다양한 유전질환 및 호발성 난치성 질환의 근본적인 치료가 기대되고 있다.

현재 재생의학 분야에서 괄목할 만한 발전이 있어 왔고, 본격적으로 시장이 형성될 경우 예상되는 잠재적 경제가치 또한 높아 각국 정부들은 배아줄기세포 시장 선점을 위한 투자 및 육성에 각축을 벌이고 있다.

▲ x/Entr 세포의 생체내 다분화능 관찰:녹색단백질이 표지된 인간 피부섬유아세포를 초음파에 의해 역분화줄기세포로 유도한 6일차에 x/Entr세포를 마우스의 뇌, 근육, 간에 이식 후 1개월째 각각 이식된 조직의 세포로 분화됐다.

그러나 배아줄기세포의 윤리적 위험성, 유전자 및 화합물 기반 역분화(reprogramming) 기술에 의한 유도만능줄기세포(induced pluripotent cells, iPSC)의 낮은 효율성 및 기형종(teratoma) 가능성, 다양한 조직 특이적 세포 분화를 유도하는 직접교차분화법(direct conversion)의 낮은 효율성, 체세포복제 줄기세포(somatic cell nuclear transfer, SCNT)의 낮은 유효성 등 여러 문제점들이 줄기세포의 임상적용에 큰 난제로 남아 있다.

줄기세포는 전 세계적으로 각종 유전질환과 쉽게 발생하는 난치성 질환을 치료하기 위한 대안으로서 활발하게 연구되고 있으나 배아줄기세포는 윤리적 위험성으로 연구의 난항을 겪고 있고, 체세포를 역분화시킨 줄기세포 유도 기법은 낮은 효율성과 암세포 발생 가능성 등의 기술적 한계가 있었다.

무엇보다 의학적 영역에서의 세포치료를 위해서는 면역거부반응이 없고 기형종이 생성되지 않도록 안전한 자가세포 이용 치료법이 개발되어야 한다.

이번 연구에서는 기존의 유전자 및 저분자 화합물을 사용하는 역분화 줄기세포 유도 기술과는 달리 초음파로 세포 밖 환경을 세포 내부로 유입시킴으로서 세포 리프로그래밍을 유도해내었다.

세포 리프로그래밍(cell reprocgramming) 은 포유류의 발달과정에서 DNA 메틸화와 같은 후성유전학적 표시가 변화되는 과정으로 이미 성숙한 체세포가 만능줄기세포로 유도되는 기술을 말한다.

연구팀은 초음파로 환경을 유입시키는 Entr(ultrasound-directed permeation of enviromental transtion-guided cellular reprogramming : 초음파를 통해 세포 밖 환경을 세포 내부로 유입시켜 세포의 리프로그래밍을 유도하는) 시스템을 이용하여 초음파 처리 후 하루 만에 역분화 기작이 유도되는 것을 확인했고, 일주일 내에 90% 이상의 피부세포가 역분화 줄기세포로 분화하는 것을 증명했다.

이 세포는 생체 내 이식 후 암이 발생하지 않은 상태로 신경세포, 간세포, 근육세포로 등 다양한 세포로 분화됐다.

연구팀은 초음파에 의해서 세포 내부로 물질이 유입되면서, MAPK (mitogen-activated protein kinase : 유사분열 활성화 단백질 인산화효소. 다양한 세포 외 성장신호에 반응하여, 세포분화, 증식, 생존, 세포자살 등에 영향을 미침} 신호 경로가 활성화되고 이로 인해서 염색체 전체에서 탈메틸화되면서 하루 만에 역분화되었다고 밝혔다.

이번에 발표된 연구기술을 통해 기존의 역분화 줄기세포 유도법의 기술적인 어려움과 낮은 효율성을 극복할 수 있다. 장기간 세포라인을 구축할 필요가 없기 때문에 생산 및 관리 측면에서 경제적이고, 유도기술적인 측면에서 간단해서 향후 줄기세포연구 및 이를 이용한 임상연구를 활성화시키는 데도 기여할 것으로 예상된다.

또 초음파에 의해 유도된 다분화능줄기세포는 암이 발생하지 않아 안전하고 짧은 시간 내에 대량의 다분화능 줄기세포를 생산할 수 있어 자가줄기세포 생산이 가능하며, 이를 통해 기존의 타가줄기세포에 의해 발생한 생체 내 면역거부반응 등의 문제점을 해소할 수 있다.

특히 초음파를 이용해 역분화줄기세포를 유도하는 방법의 간편함을 이용해 자동화장비시스템을 개발함으로써 재생의료 기반 산업분야에서 국제적인 경쟁력을 확보할 수 있다.

▲ 초음파에 의한 고효율 인간 역분화줄기세포 유도Oct4 발현 시 녹색형광단백질(초록색)이 발현되는 인간 피부:섬유아세포(2 x 105)에 초음파 처리 후 초음파가 처리된 줄기세포배지에 배양했을 때 초음파 처리 6시간 후 Oct4 발현이 시작되었다. 6일 후에는 Oct4 발현 세포구가 대략 2,400개 생성되었고, 인간배아줄기세포와 유사한 특성을 갖고 있었다.

김순학 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 역분화 기술의 고효율성 및 안전성은 자가줄기세포 제작을 가능하게 할 것이며 “향후 줄기세포연구 및 재생의료산업 분야에서 국제적인 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대된다”면서 “초음파에 의해 유도된 다분화능줄기세포는 암이 발생하지 않기에 안전하며, 짧은 시간 내 대량의 역분화줄기세포를 생산할 수 있다”고 밝혔다.

또 “이를 통해 앞으로 Entr 시스템에 의해 자가줄기세포를 이용, 질환모델에서 전임상 및 임상연구를 수행하고 싶다”며 “ 특히 초음파에 의한 역분화줄기세포 유도방법의 간편성은 향후 자동화장비시스템으로 개발이 가능하기에 벤처를 통해 향후 줄기세포연구 및 이를 이용한 임상연구를 활성화시키고 싶다”고 피력했다.

이 연구는 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구사업(개인연구) 지원으로 수행됐으며, 생체재료 분야 국제학술지 바이오머터리얼즈(Biomaterials) 7월 25일자에 게재되었다.

(논문명 : An ultra-effective method of generating extramultipotent cells from human fibroblasts by ultrasound)