생체재료를 이용한 줄기세포의 운명 조절기술
이 은 경
줄기세포연구소, ㈜미래아이앤지, 서울시 강남구 도산대로 509
Regulation of Stem Cell Fate by Biomaterials
Eunkyung Lee
Stem cell research institute, Mirea ING. Ltd.
Abstract: 현대 의료기술 발전에 있어 최종 목표는 조직공학기술을 통해 인공적으로 만들어낸 살아있는 바이오장기를 이용한 손상 장기의 대체일 것이다. 바이오장기는 인공장기와는 다르게 살아있는 세포와 조직으로 구성되어 손상 인 체조직 및 장기를 물리적 기능을 대체하는 것뿐만 아니라 화학적, 생물학적 기능까지 회복시켜 인간의 삶의 질을 획기 적으로 개선시켜줄 수 있는 기술이다. 이러한 바이오장기 개발에 있어서 핵심 기술은 줄기세포 관련기술과 지지체 관련기술이다. 여기서는 줄기세포치료제와 바이오장기 개발을 간략히 소개하고 줄기세포 조절을 이해하기 위한 줄기 세포 niche 연구와 생체재료를 이용한 줄기세포의 운명 조절기술 사례를 소개하고자 한다.
Keywords: bioorgan, biomaterials, stem cell fate regulation, stem cell niche
1. 서 론
1)
기원전 221년 진시황제는 불로장생의 영약을 구하기 위해 아끼는 공신 서복 (徐福)을 동쪽으로 보내 불로초를 구해 오도록 하였으나, 그 꿈을 이 루지 못하고 50세에 객사했다고 한다. 인간의 무 병장수, 불로장생에 대한 열망은 인간의 역사와 함께 계속되어 왔다고 볼 수 있다. 페스트, 콜레라, 결핵 등과 같은 많은 질병들이 인류의 의과학기술이 발전함에 따라 정복되어 왔다. 현재 인간사회를 공격하는 질병은 더 이상 전염병이 아니다. 인간 삶의 질 개선과 더불어 급격히 발전한 의료기술로 인해 인간사회의 고령화됨으로써 퇴행성 질환과 암과 같은 질병이 인간의 삶의 질을 떨어트리고, 평균 수명을 단축시키는 주요 원인이 되고 있다 . 2000년대 초 세포 및 줄기세포에 대한 기술이 급격히 발전하면서 질병의 ‘근본적인 치료’가 가 능한 재생의학은 경제사회적 파급효과가 매우 큰
저자(E-mail: [email protected])
치료영역으로 평가되고 있다. 재생의학은 고령화, 질병, 사고 등에 의한 손상 또는 기능 저하된 조직과 장기를 재생시키거나 대체하여 기능을 회복시키는 첨단 융합기술 분야로써, 미국 국립보건원(NIH)은
‘생물학, 의약학, 공학이 융합되어 조직과 기관의 기능을 유지, 회복, 증진시킴으로써 건강과 삶의 질을 개선하는 방법에 대변혁을 일으킬 새로운 분 야’라고 정의하였다. 우리나라도 2009년 ‘미래 성 장을 견인할 수 있는 국가존망 기술’ 14가지 중 미 래성장 주도 기술로 ‘재생의료 기술’을 선정하여 차세대 먹거리산업으로 육성하고 있다.
‘질병에 대항하는 전혀 새로운 기술의 시작’이며,
현재 인류는 과거와 달리 ‘재생의학 및 줄기세포
기술을 보유한 신인류’라고 언론에 보도될 정도로
재생의학에 대한 기대는 크다. 현재 재생의학은
치매, 척수손상, 당뇨 등 적절한 치료 방법이 없는
난치성 질환의 치료 대안으로 부각되고 있으며,
맞춤형 세포치료제, 생체조직, 바이오장기 개발 등
다양한 분야에 활용되어 막대한 경제적 부가가치를
창출할 수 있는 신성장동력으로 주목 받고 있다.
* 출처: 대신증권 리서치 센터
Figure 1. Change of the disease treatment paradigm.
재생의학 분야 중 맞춤형 세포치료제와 장기이 식용 바이오장기 개발에 있어서 핵심기술은 줄기 세포 관련기술과 지지체 관련기술이라고 할 것이다.
여기서는 먼저 줄기세포치료제와 바이오장기 개발 현황을 알아보고, 생체 내의 줄기세포 niche 연구 와 생체재료를 이용한 줄기세포 조절기술 연구의 현황을 살펴봄으로써 바이오장기 개발에 있어서 줄기세포 조절을 위해 생체재료를 어떻게 활용할 수 있는지 고찰하고자 한다.
2. 질병치료 패러다임의 변화
인간의 불로장생에 대한 기원과 꿈은 인간 수정 란의 핵치환기술을 통한 배아줄기세포주 확립, 체 세포를 이용한 유도만능줄기세포의 개발, 성체 내 전분화능 세포의 존재 확인 등 현대 과학기술을
만나 불가능할 것이라고 생각했던 노화 제어와 손
상 조직의 재생까지도 줄기세포를 통해 이룰 수
있을지도 모른다는 희망을 갖게 되었다. 인간도
불도마뱀처럼 손상 조직을 재건할 수 있을 것이라
는 막연한 생각으로 상상만 하던 3D 프린팅 기술
(제5원소, 리마스터링 감독판, 1997년작), 인간복
제기술(아일랜드, 마이클 베이 감독, 2005년), 바
이오장기 기술(바이센테니얼맨, 크리스 콜럼비아
감독, 1999년작) 등 공상과학에서나 볼 수 있었던
기술들 중 많은 부분이 2015년 현재 실용화 문턱
까지 와 있다. 이러한 현대 기술의 놀라운 발전은
치료에 대한 패러다임까지 바꾸고 있다. 기존의
치료는 약물치료와 수술 등을 통한 대증요법이 기본
치료 전략이었다고 하면 세포치료, 유전자 치료,
더 나아가 바이오장기 등 이종장기 이식기술, 조
직공학기술을 이용한 치료법까지 근원적 치료를
하는 재생의료로 그 치료전략의 패러다임이 바뀌 고 있다(Figure 1).
3. 바이오장기
장기이식은 손상되어 어떠한 치료에도 회복시 킬 수 없어 더 이상 기능을 할 수 없는 장기를 대 체하는 최후의 수단으로 동종간 이식은 이제 보편 화된 기술이 되었다. 그러나 이식용 장기 수급이 수요에 미치지 못해 이식대기자 수가 매년 증가하 고 장기매매 등 많은 사회적 문제가 야기되고 있 으며, 대체 장기 확보하기 위해 제시되고 있는 방 법은 ①줄기세포, ②생체조직공학, ③동종이식, ④ 인공장기(기계적 장기 및 바이오장기), ⑤바이오 이종장기가 있다. 선진국을 중심으로 부족한 이식 용 장기를 대체하기 위한 바이오장기 개발기술이 이를 위한 대안으로 제시되고 있다. 바이오장기란 인간에게 이식을 목적으로 인위적으로 생산된 동 물의 살아있는 세포조직 및 기관을 말한다. 줄기 세포를 이용한 장기 재생, 바이오장기 생산 등은 복잡한 세포 분화과정 조작기술 개발이 아직은 미 흡하고 대량생산이 어려워 바이오장기 생산을 위 한 줄기세포의 상용화까지는 어려움이 있으며, 생 체조직공학 제품은 사람 조직을 활용하여 연골, 뼈, 피부 등이 제작이 가능하나 아직까지는 복잡 한 기능을 하는 장기의 제작은 어렵다. 동종이식 용 장기가 현실적으로는 유일한 방법이나 공급의 제한이 있어, 기계적 장기 등 인공장기(인공신장, 인공췌장 등)가 활용되고 있다. 최근 면역학과 유 전공학, 핵치환 기술 등의 발전으로 형질전환 동 물 생산이 가능해지면서 바이오이종장기의 개발 이 급속화되고 있다 . 바이오이종장기는 다른 종의 동물로부터 생산된 장기를 사람에게 바로 이식하 는 기술로 상용화만 된다면 많은 환자들의 희망이 되어줄 기술로 기대를 받고 있으나 이 역시 상용 화까지는 많은 과제가 있다. 바이오장기 개발 연 구분야는 재생의학으로 분류되며, 생물학, 공학, 그리고 의학 등 다학제간 협동연구가 필요한 분야 로, 조직공학, 줄기세포공학, 세포치료제, 성체줄
기세포, 배아줄기세포, 클로닝, 동물복제 및 이종 간 이식 등이 포함되어 있어 광범위하고 융복합적 인 최첨단 생명공학기술로써 차세대 경제 성장동 력의 한 분야로 주목 받고 있다. 이를 위한 인간장 기 대체 공급원으로 인간에게 이식 가능한 동물장 기(이종장기)를 개발하거나 생체모사 디바이스를 개발하고자 선진국 과학자들을 중심으로 대규모 연구진과 투자가 진행되고 있다.
4. 바이오이종장기의 개발
인간에게 이식 가능한 바이오이종장기 개발은 현 기술로 가장 빠르게 시도할 수 있는 장기대체 기술일 것이다. 1997년 영국의 Wilmut 등은 체세 포의 핵을 수정란의 핵과 치환하여 복제양을 생산 함으로써 형질전환 동물의 산업화 가능성을 확인 하였다. 이 후 형질전환 동물과 복제동물 생산기 술의 학문적, 산업적 가치가 주목을 받게 되면서 다양한 활용 범위가 제시되고 있으며, 그중 복제 동물 생산기술 활용의 한 분야로 심장, 간, 췌장, 신장 등 인간장기 대체용 바이오장기 생산기술이 제시되고 있다. 현재 세계보건기구(WHO)나 경제 개발협력기구(OECD) 등의 국제기구를 비롯한 대 부분의 선진국에서는 바이오장기 생산연구 및 임 상시험에 대한 지침이 마련되어 있어 관련 연구에 대한 정책적 지원이 이뤄지고 있다.
이종간 장기이식은 20세기 초부터 시도되었지
만 이종간 면역체계에 대한 인식 부족으로 9개월
간 생존한 경우도 있었으나, 대부분 장기이식 후
몇 분 또는 몇 시간 안에 일어나는 초급성 면역거
부반응(Hyperacute rejection), 이식 후 수 주일 또
는 수 개월 후에 나타나는 급성 체액성 세포성 면
역거부반응(Acuter rejection) 등의 면역거부반응
으로 인해 실패하였다. 그래서 최근 이종장기 개
발 연구 방향은 면역반응을 조절하고자 인간의 면
역체계를 억제하기 위한 면역억제제 개발과 면역
거부반응에 관련된 유전자를 조작한 형질전환 동
물 개발로 이뤄지고 있다(Figure 2). 또한 많은 연
구자들이 이종간 질병 전이가 발생될 수 있다는
Figure 2. The method for development of gene modified animal to produce bioorgan.
점을 크게 우려하고 있어 각국 정부는 이종장기용 동물의 생산 및 관리에 대한 안전지침을 마련하고 있다.
이종장기 개발과정 중 고려해야 할 다른 사항으 로 윤리적인 부분이 있다. 바이오장기 생산 중 유 전자변형 등의 과정에서 동물학대가 일어나며, 이 종장기 이식에 대한 환자의 심리적⋅경제적 부담 감 등이 인간의 생명연장을 위해 감수해야 할 것 인지에 대한 논의가 뜨겁다. 그러나 한편으로는 장기이식 외에는 다른 대안이 없는 환자와 그 가 족의 입장에서 유일한 방법이므로 한정적으로 허 용해야 한다는 주장도 있다[1].
현재 이종장기 이식은 위의 많은 기술적 제한과 뜨거운 논란이 있음에도 장기이식 수요자들을 위해 각국 정부의 적극적인 지원에 따라 안전지침을 마 련하여 임상시험을 할 수 있게 하고 있다. 그러나 현재 연구개발 단계에서는 여전히 해결해야 할 과 제가 많아 향후 10년 이내에는 실용화가 어려운 것으로 평가되고 있다.
5. 조직공학적 바이오장기의 개발
아직까지 현재 기술로는 면역반응으로 인해 이 식 후 생존을 보장할 수 없는 이종장기이식보다 안전한 방법으로 인간세포를 이용하여 조직공학 적 기술을 통한 바이오장기 개발이 대안으로 제시
되고 있다. 인체 조직은 세포만으로 이루어진 조 직도 있지만 대부분의 장기는 세포와 세포외기질 (extracellular matrix, ECM)로 되어 있는 구조를 가지고 있다. 생체 내 장기 세포는 기능을 하는 분 화된 세포와 이를 제공하고 유지하기 위한 줄기세 포가 세포외기질과 같은 주변환경과 상호작용을 하면서 세포-세포, 세포-세포외기질, 세포-신호전 달물질간의 상호작용을 통해 유지되고 기능을 수 행하고 있다.
현재 현대사회로 접어들면서 기술발전속도가 급속화되면서 단순 장기나 바이오재료의 이식에 서 더 나아가, 바이오생체재료(biomaterials)를 이 용하여 조직공학적 접근법을 통해 손상된 생체조 직을 효과적으로 대체하여 손상 조직이나 장기를 복원, 재생하여 정상기능을 회복하게 하는 재생의 학이 융복합 기술을 통하여 앞으로의 생명공학과 의료분야의 중요 분야로 떠오르고 있다.
조직공학적 기술을 이용한 바이오장기 개발은
세포와 세포외기질을 대체하는 세포지지체(Scaffold)
를 이용하여 특정 장기를 재생하는 기술로, 조직공
학적 제품 개발 전략은 세포와 세포 지지체, 그리고
세포의 거동을 조절할 수 있는 신호전달을 어떻게
구성할 것인가에 따라 구체화할 수 있다(Figure
3). 이 세 요소(세포, 세포 지지체, 신호전달)는 재
생의학 연구에서 가장 기본적으로 고려해야 할 사
항으로 정상 조직에서도 기능을 하고 항상성을 유
Figure 3. Strategies to develop the tissue engineering product.
Figure 4. The sources of adult stem cell.
지하기 위한 핵심 요소이기도 하다. 이 핵심요소 들에 대한 충분한 이해가 바탕이 되어야 효과적인 재생의학 연구개발 수행이 가능할 것이다.
6. 바이오장기의 세포원, 줄기세포와 줄기세포 치료제
세포는 인체의 모든 조직과 장기를 이루는 기본 단위로 원하는 기능과 역할을 하는 조직을 구현하 기 위해서는 목적 장기에 적합한 세포의 적용이 필요하다. 바이오장기 개발을 위해서는 양질의 세 포를 대량으로 확보하는 것이 중요하다. 이는 세 포치료제도 동일하다.
세포치료제의 정의는 약사법 상 ‘살아있는 자 가, 동종, 이종 세포를 체외에서 배양, 증식하거나 선별하는 등 물리적 , 화학적, 생물학적 방법으로 조작하여 제조하는 의약품’을 말하며, 세포 기원에 따라 환자의 몸에서 채취한 세포를 가공하여 제조 한 세포치료제를 본인에게 투여하는 자가세포(au- tologous), 타인에게서 얻은 세포를 가공하여 제조 한 치료제를 이식받는 동종세포(allogenic), 다른 종으로부터 얻은 세포를 이용하는 이종세포 (xeno- genic) 치료제가 있다. 또한 세포의 종류에 따라 체세포(somatic cell), 면역세포(immune cell), 줄 기세포(stem cell)로 구분할 수 있으며, 이 중 줄기 세포는 줄기세포의 기원에 따라 배아줄기세포 (수
정된 지 14일이 안된 배아로부터 얻은 줄기세포, 전분화능), 성체줄기세포(출생 후 골수, 지방, 제대 혈, 치아, 피부 등의 몸의 각 부위에서 얻어지는 줄기세포, 다분화능), 유도만능줄기세포(체세포의 특정 유전자를 조작하여 전분화능 세포로 유도한 줄기세포, 전분화능)로 세분화된다. 성체줄기세포 는 출생 후 얻을 수 있는 모든 조직에 존재하나, 비교적 손쉽게 얻을 수 있고 활용 가능한 대표적 성체줄기세포원은 출생 직후 제대혈과 골수, 그리 고 지방조직이 있다(Figure 4).
현재 국내외 대부분의 허가된 제품은 체세포치
료제로 국내 2012년 1월 기준으로 15개 제품이 품
목허가를 받았으며, 약 80%가 연골과 피부세포치
료제이고 그 외에는 면역세포치료제로 안전성이
확보되어 많은 기업에서 상용화된 상태이다. 그러
나 세포치료제 개발에 있어서 가장 중요하게 고려
할 사항은 확보한 세포원이 얼마나 안전하고 활용
가능성을 가지고 있는가 일 것이다. 체세포는 단
일 종류의 세포로만 분열하여 적용증이 매우 한정
적이나, 줄기세포는 210종 이상의 세포로 구성된
몸의 항상성을 유지하도록 도와주는 새로운 세포
의 공급자로, 분화가 끝나지 않은 미성숙 세포로
자가 재생산능력(self-renewal)을 가지고 있으며
(Figure 5), 다양한 세포로 분화가 가능하여 체세
* 출처: Annu Rev Immunol, 25, 139-170 (2007)
Figure 5. The category of stem cell by differentiating capacity.
* 출처: Neurosci. 24(7), 194 (2013) Figure 6. Stem cell mechanism in body.
포에 비해 더 큰 치료효과를 기대할 수 있다 (Figure 6). 줄기세포의 능력은 인체 장기의 모든 세포와 조직으로 분화가 가능한 배아줄기세포와 유도만능줄기세포가 가장 우수하다고 할 수 있다.
그러나 배아줄기세포와 유도만능줄기세포는 아직
까지 그 분화조절능력 조절기술이 확보되지 않아
안전성이 확보되지 않았고, 특히 배아줄기세포의
경우 인간수정란을 파괴한다는 윤리적 문제가 있
다. 전 세계적으로 품목허가를 받아 시판 중인 줄
기세포치료제는 2015년 6월 기준 총 5개로 이 중
회사명 제품명 분류 세포 대상질환 허가일자
1 세원셀론텍 콘드론 자가 연골세포 체세포 무릎연골결손 2001.01
2 테고사이언스 홀로덤 자가 피부각질세포 체세포 피부화상 2002.12
3 테고사이언스 칼로덤 동종 피부각질세포 체세포 피부화상 2005.03
4 엠씨티티 케라힐 자가 피부각질세포 체세포 피부화상 2006.05
5 미노메디시스 미노락 자가면역세포 면역세포 비소세포폐암 2007.02
6 크레아젠 크레아박스-RCC 수지상세포 면역세포 전이성 신세포암 2007.05
7 안트로젠 아디포셀 자가미성숙지방세포 체세포 함몰흉터 2007.08
8 이노셀 이뮨셀 LC 자가활성화T 림프구 면역세포 간암 2007.08
9 엔케이바이오 엔케이엠주 자가활성화림프구 면역세포 악성림프종 2007.08
10 차바이오앤디오스텍 하이알그라프트3D 자가피부섬유아세포 체세포 당뇨병성 족부궤양 2007.09
11 세원셀론텍 RMS오스론 자가뼈세포 체세포 국소 골형성 2009.08
12 차바이오앤디오스텍 오토스템 자가지방세포 체세포 피하지방결손 2010.02
13 안트로젠 퀸셀 자가지방세포 체세포 피하지방결손 2010.03
14 에스바이오메딕스 큐어스킨 자가섬유아세포 체세포 함몰흉터 2010.05
15 차바이오앤디오스텍 LSK오트그라프트 자가피부각질세포 체세포 피부화상 2010.09
16 파미셀 하티셀그램-AMI 자가골수유래 중배엽
줄기세포 자가골수 급성심근경색 2011. 07
17 메디포스트 카티스템 타가 제대혈 중배엽줄
기세포 동종 타가 제대혈
퇴행성관절염, 반복적 인 외상으로 인한 연 골손상
2012. 01
18 안트로젠 큐피스템 자가지방유래 중배엽
줄기세포 자가 지방 크론성 누공 2012. 01
19 코아스템 뉴로나타-알 자가골수유래 중배엽
줄기세포 자가골수 근위축성측삭경화증
(루게릭병) 치료제 2014. 08 Table 1. 국내 세포치료제 품목허가현황(2015.6 기준, 보건복지부)
4제품이 국내에서 개발하여 판매되고 있다(Table 1). 최근 줄기세포치료제 개발 및 규제동향 보고서에 의하면, 2014년 말 기준 국내 줄기세포치료제 임 상진행 건수는 39건으로 미국(135건)에 이어 세계 2위인 것으로 분석되었으며(3위 중국(25건), 4위 스페인(21건)), 체외 분화유도, 유전자도입 등을 활용한 차세대 줄기세포기반제제 개발을 통해 활 발하게 줄기세포치료제 개발을 위한 연구에 박차를 가하고 있으며, 전 세계 5개 줄기세포치료제 품목 중 4제품이 한국에서 허가가 된 것도 이러한 연구 기반과 노력이 밑바탕이 된 것이라고 볼 수 있다.
이러한 줄기세포치료제 생산에서 한계점이 있다.
현재 세포배양기술은 생체 내 환경을 구현하지 못
하고 있으며, 특히 줄기세포와 같이 증식속도가
느리고 다른 기능성 세포로 분화할 수 있는 세포
는 배양환경에 따라 세포의 기능에 큰 영향을 미
친다. 많은 연구자들이 고려하는 줄기세포치료제
개발에 있어서 가장 중요한 점은 줄기세포능을 잃
지 않은 줄기세포를 단시간 내에 많은 양을 확보
하는 방법이며, 이를 위해 체내 줄기세포의 환경
을 구현하기 위해 노력하고 있다.
*출처: Nature, 441(7097), 1075-1079 (2006)
Figure 7. The structure of stem cell niche. *출처: Hum Gene Ther. 21(10), 1226-1238 (2010) Figure 8. Signal molecules for MSC differentiation.
7. 줄기세포 niche 연구
줄기세포는 성체의 모든 조직에 존재하여 self- renewal과 분화 사이의 균형을 통해 조직의 항상 성을 유지하도록 하고 있다. 줄기세포는 조직 내 특정 미세환경을 가지고 있는 niche라 불리는 곳 에 위치하고 있다. 줄기세포 niche는 포유동물의 골수 [2,3], 모발과 피부 follicle [4,5], 소장[6,7], 그 리고 뇌[8,9] 등에서 연구되어 보고되었다. 또한 C. elegans와 Drosophila 연구를 통해 줄기세포 ni- che의 기능에 대한 중요한 특성을 밝혀냈다[10, 11]. 줄기세포 niche는 특이적인 미세환경을 형성 하여 줄기세포와 미세환경과의 상호 신호 전달을 통해 줄기세포의 특성을 유지하도록 하며[12], 줄 기세포 niche는 세포지지체(ECM), paracrine fac- tor 등으로 구성되어 있다(Figure 7)[13]. 많은 보 고들을 통해 줄기세포 niche의 특성은 다음과 같 이 정리할 수 있다. (1) niche는 줄기세포 운명과 수를 조절하고 결정하는 외부와 환경적 신호전달 경로(Notch, FGFs, Hedgehog, Wnts, BMPs 등)를 발산한다. 이 신호전달경로는 조직마다 다를 수 있다. (2) niche는 줄기세포를 위한 anchor로써의 역할을 하므로 줄기세포 또는 지지세포와 물리적 접촉에 의해 그 성격을 조절한다 . 최근 미세환경의 stiffness와 elasticity가 줄기세포의 운명에 영향을 미치고, 줄기세포의 분화를 조절한다는 연구들이
발표되고 있다[14]. (3) 줄기세포 niche의 asym- metric structure 는 cell identity를 위한 지리적 신 호를 제공할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 장 상 피세포를 들 수 있다[15,16]. 소장 융모 하단에 미 분화된 줄기세포가 위치하고 있으며, Wnt와 BMP niche의 신호를 받아 융모 위쪽으로 세포를 공급, 이동시켜 외부 손상으로부터 줄기세포를 보호한다.
7.1. Paracrine mechanisms
줄기세포 niche에서는 cytokine과 성장인자 등을
분비하여 줄기세포를 조절하며, 가장 대표적인 신
호전달물질로는 negative regulator로 알려져 있는
Transforming growth factor-β (TGF-β), 줄기세포를
quiescent state로 유지하도록 하는 c-KIT, FLT3,
MPL, IL-6R 등이 있다[17]. 몇몇 분자는 중배엽유
래줄기세포(Mesenchymal stem cell, MSC)의 분화
를 조절하는 것으로 보고되었다(Figure 8). Wnt
signaling은 in vivo에서 MSC의 분화에 직접적으
로 작용하여 골 부피를 증가시키며[18,19], Wnt
유전자는 인간과 마우스에서 19개 family가 보고
되었으며, 배아 조직 발생과 성체에서는 뼈를 포
함한 모든 조직의 재생과정에서 세포 증식, 분화,
자가사멸 등에 관여하는 중요한 물질로 알려져 있
다[20]. TGF-β superfamily는 발생 시 골격계를
형성하고 출생 후 골격계를 유지하는데 중요한 신
분류 천연고분자 합성고분자 정의 천연물질, 동물, 인체에서 유래한 고분자 각 단분자의 반복단위로 구성
종류 Gelatin, collagen, fibrin, elastin
Alginate, hyaluronic acid, etc PGA, PLGA, PDLLA, PCL, PLLA, etc
장점
우수한 생체 적합성 적은 염증반응 생체 기능성, 생분해성 우수
분자량 등 고분자의 특성 조절 가능 기계적 물성 우수 생체 내에서 가수분해 또는 효소분해 Table 2. 생분해성 고분자의 분류와 특성
호물질로써, bone morphogenetic proteins(BMPs), growth and differentiation factors(GDFs), Activin, Nodal, 그리고 TGF-β 등이 포함된다. 그 외에도 MSC의 분화에 관련된 신호전달 분자들은 fibro- blasts growth factor(FGF)-2, platele-derived growth factor(PDGF) 등과 같은 세포 증식을 촉진시키고 미분화 상태로 MSC 군을 유지하도록 하는 것이 있다[21-23].
7.2. 세포외기질(Extracellular matrix, ECM) 줄기세포의 기능을 조절하고 세포간 소통을 위한 방법은 신호전달물질을 이용하는 것이 유일한 방 법은 아니다. 줄기세포 niche에는 조직에 존재하는 세포들에 의해 생산된 세포외기질(ECM, 콜라겐, 엘라스틴, 피브로넥틴, 라미닌 등)과 당화 프로테 오글리칸 등이 존재하여 integrin을 통해 줄기세포 가 붙어있게 된다 . ECM의 조성 차이는 조직에 특 별한 strength와 elasticity를 부여하게 되며, 이러 한 ECM의 물성이 줄기세포의 기능을 조절하는 critical한 역할을 할 수 있다[24].
조직 사이를 구성하는 ECM은 조직과 세포 종 류에 따라 다양하다. Tenacity, elasticity, stiffness 와 같은 조직의 특성은 ECM의 분자 구조에 따라 결정된다. ECM의 macromolecule은 크게 fibrils 형성 단백질, 글리코프로테인, 프로테오글리칸으 로 3그룹으로 나눌 수 있다. 결합조직은 주로 콜라 겐과 같은 큰 섬유형성 단백질에 의해 생성된다.
섬유 콜라겐은 ECM에게 특유의 인장 강도를 둔 다. 제1형 콜라겐은 뼈, 힘줄과 느슨한 결합조직의 주 구성성분이고, 제4형 콜라겐, 라미닌 등은 피부
기저막 등의 중요 성분이다. 라미닌의 경우는 기 저막의 양 층에 넓게 그물망 형태로 분포하여 상 피세포를 고정하는 역할을 한다. 이와 같이 ECM 은 성분에 따라 세포에 미치는 영향이 다르다 [25,26]. 세포는 integrin이라고 불리는 세포 부착 성 분자를 이용하여 ECM과 상호작용을 한다. 세 포는 특정 ECM에 부착하는 heterodimer integrin을 발현하여 다양한 조절 단백질과 함께 세포외기질로 부터 신호를 전달받게 됨으로써 세포의 운명을 결정 한다[27].
ECM의 주요 기능은 역시 물리적으로, 화학적 으로 그리고 면역학적으로 세포와 조직을 보호하 는 지지체로써의 기능일 것이다. 세포에게 잘 조 율된 환경을 제공하면 증식, 분화, 이동 등 세포의 기능을 조절할 수 있다. 뿐만 아니라 세포의 행동, 생존, 발생, 기능까지 조절할 수 있을 것이다.
8. 바이오장기 개발을 위한 세포지지체
8.1. 재생의학용 지지체의 특성
재생의학용 지지체는 생체조직을 대변하여 구
조적으로 원하는 조직의 형태를 갖추어 다양한 세
포들이 안정적으로 붙어 자라도록 하고, 인체 내
에서 호르몬, 효소, 성장인자 등의 생리활성 물질
들을 통해 일어나는 일련의 세포반응에 의한 세포
증식, 분화 등이 원활히 일어나도록 하여 조직이
나 장기의 재생을 도울 수 있어야 한다. 이러한 재
생의학용 지지체 개발에 사용되는 재료는 기본적
으로 생체적합성(biocompatibility), 생체기능성
(biofunctionality)을 가져야 한다. 생체재료의 생체
8.2. 생분해성 고분자의 특성
생분해성 고분자의 특성은 (1) 생분해성 및 비 독성, (2) 상호 연결된 내부 다공성 구조, (3) 구조 적 안정성 세포흡착 기질 제공, (4) 낮은 면역반응 성, (5) 혈전형성 억제, (6) 친수성, (7) 생체기능성 으로 정리할 수 있다. 생분해성 고분자 원료로는 천연고분자와 합성고분자가 있다(Table 2). 천연 고분자는 천연물질, 동물, 인체에서 유래한 고분자 로 gelatin, collagen, fibrin, elastin, alginate, hya- luronic acid 등이 있고 생체적합성이 매우 우수하 고 적은 염증반응을 보이나 물성이 낮고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 합성고분자는 각 단분자의 반복단위로 구성되며, polyglycolic acid (PGA), polylactic-co-glycolic acid (PLGA), poly-DL-lac- tic acid (PDLLA), polycaprolactone (PCL), poly- L-lactic acid (PLLA) 등이 있다. 합성고분자는 합 성을 통해 쉽고 값싸게 확보할 수 있고, 분자량 등 을 통해 고분자의 특성 및 기계적 물성을 조절하 기 쉬우며 , 생체 내에서 가수분해 또는 효소분해 를 통해 분해되나, 천연고분자에 비해 생체적합성 과 생체기능성이 떨어진다. 그러나 합성고분자가 가진 많은 장점으로 인해 현재 인공혈관, 뼈대체 제 등은 합성고분자로 많이 개발되고 있다 .
8.3. 조직재생용 세포지지체 개발 전략
세포지지체는 기본적으로는 세포를 부착시켜 생체 내에서 안정적으로 원하는 곳에 지리적으로 위치하도록 하는 것 뿐만 아니라 , 더 나아가 이식한 인공 조직이 기능을 하는 장기로 완성되기 위한
세포지지체의 물성은 재생할 조직에 맞추어 디 자인할 수 있다. 적절한 강도와 물성의지지체를 제작함으로써 그 위에서 증식하는 줄기세포의 운 명을 조절할 수 있다. 2006년 Even-Ram S. 등은 지지체의 elasticity와 stiffness에 따라 줄기세포가 신경, 근육, 뼈로 운명이 다르게 조절됨을 보고했 다[28]. 단순히 collagen gel의 두께만 조절해도 중 배엽유래줄기세포의 뼈 분화능에 영향을 미친다 [29]. 2010년 Treiser MD 등은 다양한 합성 고분 자 재료 및 천연 고분자 재료를 이용하여 지지체 의 stiffness나 elasticity의 차이를 제공하고 이로써 줄기세포의 cytoskeleton을 변화시켜 골 형성능에 영향을 미치는 것을 보고하였다[30]. ECM에 따른 차이는 세포가 가진 integrin이 ECM 단백질 종류 에 따라 특이적으로 결합하여 다른 수용체와 함께 작용하여 세포의 증식, 분화, 사멸 등에 관련된 신 호전달을 통해 줄기세포의 운명을 조절하게 된다 [31].
또한 조직재생용 세포지지체의 물성 조절과 함께, 생체활성분자 제공, 산소포화도 조절, 지지체의 형 태(groove, nanopatterning, microfluidics) 등의 기 술을 이용하여 줄기세포의 운명을 조절할 수 있다.
2007년 Nakajima M 등은 다양한 생체재료를 이용
하여 신경줄기세포 분화를 직접적으로 유도하는
단백질 복합 조성을 찾아냈고[32], 2008년에는 중
배엽유래줄기세포 배양에 있어서 미세환경을 줄기
세포 niche 환경과 유사하게 구현함으로써 줄기세
포를 더 많이 증식시킬 수 있었다[33].
Figure 9. 고기능성 생분해성 고분자 지지체의 개발.
Figure 10. The tissue engineering paradigm.
9. 맺음말
세포치료제와 조직공학제품은 빠르게 발전하는 과학기술⋅의료기술과 함께 개인 맞춤형 신약으로 기존의 대증요법 위주의 치료법을 근원적 치료로 그 패러다임을 바꿀 수 있는 치료법을 제시할 수 있을 것으로 생각되어 선진국 중심으로 활발한 연 구개발에 있다. 세포치료제와 조직공학제품에서 가장 기본적으로 확보되어야 하는 것은 세포원과 세포지지체이다 (Figure 10). 재생의학적 치료법 개 발에 있어서 치료효과를 가진 세포원을 대량으로 확보하고 이를 이식하고 원하는 조직의 재생을 돕 기 위한 지지체 개발이 핵심기술이라고 할 수 있 겠다. 특히 줄기세포는 세포치료제와 조직공학제 품을 위한 세포원으로 체세포가 갖지 못한 능력 (분화능, 면역조절기능 등)으로 무한한 활용 가능 성을 가지고 있어, 배아줄기세포, 역분화줄기세포, 성체줄기세포 등을 이용하여 면역치료에서 장기 재생까지 다양하게 연구개발이 진행되고 있다. 이 러한 줄기세포는 많은 능력을 가진 만큼 주변 환 경에 따라 그 성격의 변화가 크므로 줄기세포를 배양⋅증식⋅분화하는 과정은 최종 생산물의 질 을 결정하고 치료효과에 큰 영향을 미치게 된다.
줄기세포의 생체 내에서의 환경과 그 조절 기전을 이해하고 이를 생체 외에서 구현할 수 있다면, 단 기적으로는 치료효과를 보이는 줄기세포치료제를 생산할 수 있을 것이고, 장기적으로는 바이오장기
까지 구현할 수 있을 것이다. 생체재료의 연구는 그 기틀을 마련하는 가장 중요한 기술이며, 향후 생체재료 연구가 세포치료제시장과 바이오장기 개발 연구분야에까지 미칠 영향력은 지대할 것으 로 생각된다.
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2002 삼성생명과학연구소 임상의학연구센터 연구원 2003-2006 원자력의학원 임상의학연구
센터 연구원
2013 경희대학교 생명공학원 박사 2013∼ (주)미래아이앤지
줄기세포연구소 연구팀장
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