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초음파로 역분화 줄기세포 유도 원천기술 세계최초 개발

안전한 고효율 분화법으로 자기줄기세포 치료시대 열어

안전한 자가줄기세포를 이용한 재생의료 시대가 열릴 전망이다.

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

* 역분화 줄기세포 : 유도만능줄기세포(induced Pluripotent stem cells, iPSC)라고도 함. 분화가 완료된 체세포로부터 인위적으로 분화 이전의 단계로 유도된 세포를 말함. 내배엽, 중배엽, 외배엽 세포로 모두 분화가 가능함.

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

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

*세포 리프로그래밍(cell reprocgramming) : 포유류의 발달과정에서 DNA 메틸화와 같은 후성유전학적 표시가 변화되는 과정. 즉, 이미 성숙한 체세포가 만능줄기세포로 유도되는 기술을 말함.

연구팀은 초음파로 환경을 유입시키는 Entr* 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.

*Entr (ultrasound-directed permeation of enviromental transtion-guided cellular reprogramming) : 초음파를 통해 세포 밖 환경을 세포 내부로 유입시켜 세포의 리프로그래밍을 유도하는 시스템

연구팀은 초음파에 의해서 세포 내부로 물질이 유입되면서, MAPK* 신호 경로가 활성화되고 이로 인해서 염색체 전체에서 탈메틸화되면서 하루 만에 역분화되었다고 밝혔다.

* MAPK (mitogen-activated protein kinase) : 유사분열 활성화 단백질 인산화효소. 다양한 세포 외 성장신호에 반응하여, 세포분화, 증식, 생존, 세포자살 등에 영향을 미침.

초음파에 의해 유도된 줄기세포는 암이 발생하지 않아 안전하고, 짧은 시간 내에 대량 생산할 수 있어 경제적이다. 간단한 유도 기술법을 통해 자동화장비시스템을 개발하거나 줄기세포 유도기술 관련 임상연구를 활성화시키는 데도 기여할 것으로 보인다.

김순학 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 역분화 기술의 고효율성 및 안전성은 자가줄기세포 제작을 가능하게 할 것”이라며 “향후 줄기세포연구 및 재생의료산업 분야에서 국제적인 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

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

논문의 주요내용

□ 논문명, 저자정보

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

- 저자 정보 : 김순학 교수 (교신저자, 가톨릭관동대학교)

이용승 교수 (공동 제1저자, 가톨릭관동대학교 의과대학)

허혜정 연구원 (공동 제1저자, 가톨릭관동대학교 의과대학)

이종환 박사 (공동연구원, 가톨릭관동대학교 의과대학)

문성욱 박사 (공동연구원, 가톨릭관동대학교 의과대학)

정운용 교수 (공동연구원, 가톨릭관동대학교 의과대학)

박용근 교수 (공동연구원, 가톨릭관동대학교 의과대학)

박민근 교수 (공동연구원, 가톨릭관동대학교 의과대학)

오승헌 교수 (공동연구원, 차의과학대학교 의과대학)

□ 논문의 주요 내용

1. 연구의 필요성

○ 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 높다. 이에 각국 정부들은 배아줄기세포 시장 선점을 위한 투자 및 육성에 각축을 벌이고 있다.

○ 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.

○ 무엇보다 의학적 영역에서의 세포치료를 위해서는 면역거부반응이 없고 기형종이 생성되지 않도록 안전한 자가세포 이용 치료법이 개발되어야 한다. 이를 극복하기 위해서는 현재 가장 많이 연구되고 있는 세포 역분화법에 대한 기술적인 측면에서, 높은 효율성 및 안전성을 제공할 수 있는 신개념의 세포역분화법 연구개발로의 전략 수립이 필요하다.

○ 세포는 물, 유기물, 무기물이 주된 구성성분이며, 유전물질은 전체의 극히 일부분이다. 이에 세포밖 외부환경의 유입은 세포내 유전자 발현 변화를 유도할 수 있음이 이미 문헌을 통해 밝혀져 있다. 최근 초음파가 세포밖의 물질을 세포내로 효율적으로 전달하면서 세포의 증식을 돕는 사례가 보고되었다. 이에 본 연구진은 초음파에 의한 세포밖 환경을 세포내로 유입시켜 세포리프로그램밍을 유도 (ultrasound-directed permeation of enviromental transtion-guided cellular reprogramming, Entr)하는 시스템을 개발하였다.

2. 연구내용

○ 연구팀은 피부섬유아세포(인간 및 환자 유래(60세)), 마우스배아섬유아세포, 인간 폐상피세포에 초음파를 처리 후 초음파가 처리된 줄기세포배지에 일주일간 배양하였다. 이 세포를 Entr 세포라 칭한다.

○ 초음파 처리 후 줄기세포배지가 일시적으로 손상된 세포막을 통해 세포내로 비특이적으로 유입되는 것을 확인하였다. 줄기세포배지가 유입된 세포에서 처리 후 10시간째 Oct4 발현되는 것을 확인하였다.

○ Entr 처리 후 24시간째에 stress에 의해 자극받는 MAPK (mitogen-activated protein kinase) signal pathway 활성화가 크로마틴 재편성(chromatin remodeling)*을 촉진시키는 MSK1의 발현을 유도하는 것을 확인하였고, 이로 인해 유도만능마커가 포함된 염색체 전체에 낮은 메틸화(methylation)가 유도되면서 역분화 특성을 유발시켰다.

* 크로마틴 재편성(chromatin remodeling) : 진핵세포의 염색질은 DNA가 히스톤을 감싸서 응축된 상태인데, 이 염색질 구조가 풀리면서 DNA가 전사가 될 수 있는 상태.

○ Entr 처리에 의해 유입된 줄기세포배지 성분이 해당과정(glycolysis)과 같은 신진대사를 촉진시켰고, 아울러 유도만능마커가 세포간에 전달되면서 역분화상태를 촉진시킴을 확인하였다.

○ Entr 처리 후 6일째에 대략 200,000만 개의 체세포로부터 역분화줄기세포의 특성을 갖는 세포구(spheroid)가 2,400개 정도 생성되었다. 이 세포구를 “x/Entr 세포*” 라고 칭한다. 6일째 x/Entr 세포는 in vitro 상에서 신경계세포, 심근세포, 지방세포, 간세포로 잘 분화되었고, in vivo에서는 암을 유발하지 않고 뇌세포, 근육세포, 간세포로 분화됨을 확인하였다.

* x/Entr 세포 : Entr 시스템에 의해 유도된 xpotent 세포(extramultipotent cells). multipotent 줄기세포보다 분화능이 좋고 역분화줄기세포 만큼 분화능을 갖으며, teratoma가 형성되지 않음.

○ 연구팀은 x/Entr 세포가 암을 유발하지 않고 3배엽 계열의 세포로 잘 분화된 것을 확인하였으며, 이는 pluripotent와 multipotent의 중간단계의 다분화능 세포로 보인다.

3. 연구 성과

○ 이번 연구를 통해 유전자 및 저분자 화합물을 사용하지 않고 초음파에 의한 외부환경 전달로 체세포를 일주일만에 대량의 역분화줄기세포를 유도하는 원천기술을 세계최초로 개발하였다.

○ 개발된 역분화줄기세포는 생체내 이식 후 종양(teratoma)을 유발하지 않고 다양한 세포로 분화됨을 확인하였다.

○ stress에 의해 활성환된 MAPK 신호 전달경로(signaling pathway)가 세포리프로그래밍에 중요한 역할을 하는 것을 밝혀내었다.

 

연구결과

1. 연구배경

ㅇ 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 높다. 이에 각국 정부들은 배아줄기세포 시장 선점을 위한 투자 및 육성에 각축을 벌이고 있다.

ㅇ 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.

ㅇ 무엇보다 의학적 영역에서의 세포치료를 위해서는 면역거부반응이 없고 기형종이 생성되지 않도록 안전한 자가세포 이용 치료법이 개발되어야 한다. 이를 극복하기 위해서는 현재 가장 많이 연구되고 있는 세포 역분화법에 대한 기술적인 측면에서, 높은 효율성 및 안전성을 제공할 수 있는 신개념의 세포 역분화법 연구개발로의 전략 수립이 필요하다.

2. 연구내용

ㅇ 연구팀은 피부섬유아세포(인간 및 환자 유래(60세)), 마우스배아섬유아세포, 인간 폐상피세포에 초음파를 처리 후 초음파가 처리된 줄기세포배지에 일주일간 배양하였다. 이 세포를 Entr 세포라 칭한다.

ㅇ 초음파에 의한 줄기세포배지가 체세포내로 유입되면서 MAPK (mitogen-activated protein kinase) 신호 경로(signal pathway) 활성화가 유도되면서 염색체 전체수준에서 낮은 메틸화(methylation)가 유도되었다. 처리 후 하루 만에 역분화줄기세포의 특성이 유도되는 메카니즘을 밝혀냈다.

ㅇ 아울러 체세포에서 역분화 유도 후 6일째 만들어진 다분화능 줄기세포는 생체 내 조직에 이식 후 암이 발생하지 않았고, 뇌세포, 간세포, 근육세포로 분화가 유도되었다.

3. 기대효과

ㅇ 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.

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

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

용어설명

1. 역분화 줄기세포

ㅇ 유도만능줄기세포(induced Pluripotent stem cells, iPSC)라고도 함. 분화가 완료된 체세포로부터 인위적으로 분화 이전의 단계로 유도된 세포를 말함. 내배엽, 중배엽, 외배엽 세포로 모두 분화가 가능함.

2. 세포 리프로그래밍(cell reprocgramming)

ㅇ 포유류의 발달과정에서 DNA 메틸화와 같은 후성유전학적 표시가 변화되는 과정. 즉, 이미 성숙한 체세포가 만능줄기세포로 유도되는 기술을 말함.

3. Entr

ㅇ Entr(ultrasound-directed permeation of enviromental transtion-guided cellular reprogramming)는 초음파에 의한 세포 밖 환경을 세포 내로 유입시켜 세포 리프로그램밍을 유도하는 시스템을 말함.

4. MAPK(mitogen-activated protein kinase)

ㅇ 유사분열 활성화 단백질 인산화효소. 다양한 세포 외부 성장신호에 반응하여, 세포의 분화, 증식, 생존, 세포자살 등에 영향을 미침.

5. 크로마틴 재편성(chromatin remodeling)

ㅇ 진핵세포의 염색질은 DNA가 히스톤을 감싸서 응축된 상태인데, 이 염색질 구조가 풀리면서 DNA가 전사가 될 수 있는 상태를 크로마틴 재편성이라고 함.

6. x/Entr 세포

ㅇ Entr 시스템에 의해 생성된 xpotent 세포를 x/Entr 세포라 칭함. 초음파가 처리된 인간 피부섬유아세포를 초음파가 처리된 줄기세포배지에 배양한 후 역분화줄기세포 만큼 분화능을 가지며 종양(teratoma)이 형성되지 않는 특징을 갖는 extramultipotent (xpotent) 세포.

 

그림설명

(그림1) 초음파에 의한 고효율 인간 역분화줄기세포 유도

Oct4 발현 시 녹색형광단백질(초록색)이 발현되는 인간 피부섬유아세포(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.

(그림2) 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 분화가

 

김순학 교수[교신저자] 이력사항

1. 인적사항                                         
 ○ 소 속 : 가톨릭관동대학교 의과대학                              
 ○ 전 화 : 032-290-2771
 ○ e-mail : kimsoonhag@empas.com

2. 학력
 ○ 1993년 부경대학교 학사
 ○ 1996년 미국 오번(Auburn) 대학교 유전학 석사
 ○ 2000년 미국 오번(Auburn) 대학교 분자유전체 박사
 ○ 2001년 미국 West Virginia 대학교 박사후 연구원

3. 경력사항
 ○ 2001 ~ 2005 : 질병관리본부 국리보건원 선임연구원
 ○ 2005 ~ 2009 : 서울대학교 의과대학 연구조교수
 ○ 2009 ~ 2014 : 차의과학대학교 생명과학대학 부교수
 ○ 2014 ~ 현재 : 가톨릭관동대학교 의과대학 교수
 ○ 2011 ~ 현재 : Associate Editor, BMC Biotechnology
 ○ 2015 ~ 현재 : Editorial Board, Scientific Reports

4. 전문 분야 정보
 ○ 융합과학 - 물리적에너지를 이용한 세포리프로그래밍
 ○ 융합과학 - 마이크로RNA기능 생체 영상

5. 연구 지원 정보 
 ○ 2017년 ~ 2020년 : 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구지원사업 (중견연구자지원사업)

 

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