Special Issue ・줄기세포 연구의 최신지견
줄 기 세 포
최
근 손상된 심근을 재생시키기 위한 방법으로 줄 기세포를 이용한 치료가 관심의 대상이 되고 있 다. 줄기세포 치료는 줄기세포가 주변 환경에 의해 특정 세포로 분화가 가능하다는 생물학적 개념에서 시작한다.줄기세포는 적절한 세포배양 조건 하에서 심근세포 및 혈 관내피 세포로 분화가 가능한데, 심혈관계 연구에 사용되 는 줄기세포는 대부분 골수 유래 성체 줄기세포이다. 골 수 유래 성체 중배엽 줄기세포주(adult bone marrow stem cell line)를 5－azacytidine 처리시 심근세포와 유 사한 형태(morphology)를 보이면서 심근세포 특이적 단 백질의 발현 및 특이적 활동전위(action potential)를 나 타냈으며(1) 심근에 이식시 심장 기능의 개선이 보고되 었다(2). 또한 골수의 줄기세포주는 건강한 심근에 직접 주사시 심근 특이적 근육 단백질(sarcomeric myosin heavy chain)을 발현하고 주변의 심장세포와 틈새 이음 (gap－junction)을 형성하였고 역시 심장 기능이 개선되 었음이 보고되었다(3~5).
또한 사람 골수의 줄기세포주를 양의 태아에 이식하였 을 때 13개월까지 착상되고 장기 특이적 분화(organ specific differentiation)를 하였다고 보고되어(6) 경색
Stem Cell Therapy for Ischemic Heart Disease : A Status Report
임 도 선
고려의대 안암병원 순환기내과 서울 성북구 안암동 5가 126－1 Do Sun Lim, M.D.
Department of Internal Medicine Korea University College of Medicine Anam Hospital
E－mail : dslmd@kumc.or.kr
M
yocardial infarction is the leading cause of congestive heart failure and deaths in developed countries. Cur- rent therapy is limited to the prevention of the progression of ventricular remodeling. The transplantation of stem cells into the injured myocardium is a novel and promising approach for the restoration of myocardial function. Various animal studies have suggested the potential of stem cell transplantation to regenerate myocardium and to improve cardiac function. Re- cently early phase Ⅰ clinical studies show that stem cell ther- apy may have beneficial effects on ventricular remodeling. In this article, the state of the art in both laboratory and clinic on myocardial regeneration with various types of stem cells is introduced. Finally the current and intrinsic limitations of stem cell therapy are discussed along with future directions for re- search on stem cell therapy for ischemic heart diseases.Keywords : Myocardial infarction; Stem cell;
Adverse effects; Differentiation;
Mechanism; Delivery
핵 심 용 어 : 줄기세포; 심근경색증; 분화; 임상실험; 회귀
Abstract
줄기세포의 분화기전
줄기세포는 주변 환경에 의하여 심근세포로 분화가 가 능하다. 경색 심근 내 존재하는 줄기세포는 주변의 조직 에 의존하여 심근세포로 분화된다. 심근세포로의 분화 에 관련되는 요인들로는 전기－물리적 자극(electro- mechanical stimuli)과 주변 심근세포에서 나오는 주변 분비물(paracrine)이 작용하는 것으로 알려져 있다 (7~10). 또한 주변 세포와의 접촉과 세포외 기질(extra- cellular matrix) 역시 줄기세포의 분화에 영향을 준다 (11). 즉 심근세포로의 분화 효율은 사용된 줄기세포의 종류와 이식 시점에 주변 환경의 양적 질적 상태에 따라 결정된다. 그러나 이런 생체 내 주변 환경에 의한 심근세 포로의 분화는 종종 경색 심근 내에 존재한 줄기세포의 심근세포로의 분화를 유도하지는 못한다고 알려져 있다.
그러므로 미분화 줄기세포 대신 어느 정도 심근세포로의 분화가 진행된 심근아세포를 이용하는 것이 더욱 효과적 일 수 있음이 제시된 바 있다(12). 생체 외(In Vitro)에서 미분화 줄기세포의 심근세포로의 변화는 심근세포와 줄 기세포의 병합배양(co－culture)을 통하여 확인할 수 있 고, 5－azacytidine 등에 의해 분화할 수 있음을 알 수 있 다. 그러나 현재까지 이런 생체 외에서 심근세포로의 분 화의 안전성과 줄기세포의 심근 회귀(cardiac homing), 분열 능력 또는 혈관내피세포 등과 같은 정상 심장 조직 을 구성하는 비심근세포로의 분화에 주는 역효과에 대해 서는 알려져 있지 않다. 또한 이런 분화된 심근세포를 이 식할 때 어느 정도 분화한 세포가 더욱 효과적인지, 또는 미분화 세포가 효과적인지에 대한 연구가 더 진행되어야
형성된 심근이 정상적인 기능을 하는 데 필요하다. 가령 경색 부위의 신생혈관생성은 줄기세포가 경색 부위에 이 식된 경우 세포의 성공적 이식, 증식 및 분화에 영향을 미 치기 때문이다. 또한 경색 부위의 미세혈관 밀도가 새로 생성된 심근세포의 생존에 중요한 영향을 미친다는 보고 가 있다(13). 줄기세포 자체만으로도 경색 심근에서 신생 혈관 생성에 영향을 주지만, 경색 심근의 혈관 생성을 개 선시키는 데 필요한 부가적인 유전적 혹은 세포의 전 처 치(cellular pro－angiogeneic interventioin)가 필요하 다(14, 15).
이처럼 줄기세포는 이식 시점의 주변 환경, 즉 미세 환 경에 의해 분화, 운명이 결정된다(8). MSCs와 같은 줄기 세포는 이식된 심근 경색 초기에 줄기세포가 이식될 경우, 경색 초기의 제한적 생존 요인과 염증 반응 때문에 이식된 세포의 치사율이 높으며 치료가 실패할 가능성이 높다고 알려져 있다(16). 반흔이 생성되는 시점에 줄기세포를 이 식할 경우 줄기세포는 주변 미세 환경에 의해 섬유아세포 로 분화할 수 있고, 나아가 부정맥을 초래할 수 있다(17).
이런 결과들로 미분화 줄기세포를 이식할 적절한 시간은 염증 반응이 끝난 뒤부터 반흔이 형성되기 전으로 생각된 다. 따라서 분자생물학적으로 경색 심근의 진행 기전에 대 한 이해가 필수적이다.
최근 줄기세포가 심근세포로 분화되는 것이 세포 융합 에 의해 이루어질 가능성이 제시되었다. 성체 줄기세포 또는 신경 줄기세포와 표지된 배아 줄기세포와의 병합배 양(co－culture)한 2~4주 후 표지된 배아 줄기세포가 분화되었으나 4개의 성 염색체(XXXY)를 가지고 있고 총 DNA 양이 정상의 2배인 세포가 발견되었다(35, 36). 세
포의 융합은 골수줄기세포가 다양한 조직의 외피세포 (epithelia)가 발생할 수는 있으나 이런 세포 융합에 의한 분화는 10,000개 또는 100,000개의 세포 중 하나로 발생 빈도 수가 매우 낮은 것으로 알려져 있다. 따라서 일부 이 식된 줄기세포에 의해 종양 생성의 가능성이 있으므로 이 에 대한 규명이 필요하다.
경색 심근의 재생을 위한 치료에 적용 가능한 줄기세포의 종류
골수에는 중배엽 줄기세포(MSCs) 외에 조혈모 줄기 세포(HSCs)가 존재한다. Orlic 등은 마우스의 경색 심근 에 이식된 조혈모 줄기세포(HSCs)인 Lin-/C－kit+ 세 포가 심근세포 및 신생혈관으로 분화 및 증식하여 심장 기능이 개선되었음을 발표하였다(18). 또 HSCs의 일종 인 Side Population(SP)세포와 내피줄기세포(CD34+) 이식 후 심근세포 및 혈관내피세포(19)와 함께 신생혈관 을 형성하여 심실의 재고도 과정(remodeling process) 억제 및 심장 기능이 개선되었다고 발표하였다(14).
설치류와 인간의 골수에서 MSCs와 HSCs 외에 배아 줄기세포와 유사한 특성을 가진 새로운 줄기세포(multi- potent adult progenitor cells, MAPCs)가 발견되어 관 심을 끌고 있다(20, 21). MAPCs는 특정 배양 조건에서 삼배엽(endoderaml, mesodermal, ectodermal) 근원 의 세포로 분화가 가능하다. 또한 MAPCs는 MSCs와 달 리 생체 내 뿐만 아니라 생체 외에서도 무한히 증식할 수 있는 효소인 텔로머레이즈를 가지고 있다(22). MAPCs 는 이처럼 배아 줄기세포와 비슷한 특성은 있으나 배아 줄기세포와 달리 면역결핍 마우스에 이식하였을 경우 종 양을 형성하지 않으며 사람의 골수에서 유래한 MAPCs 세포는 생체 내외에서 심근세포로 분화할 수 있음이 증명
되었다(23). 그러나 MAPCs 세포가 사람의 골수 내 존재 하는 중배엽 줄기세포의 극소수를 차지하는 독특한 세포 인지, 아니면 일부의 중배엽 줄기세포가 생체 외 배양을 통하여 배아 줄기세포의 특성을 획득하게 되는 것인지에 대한 의문이 남아있다. 하지만 MAPCs는 뛰어난 가소성 (plasticity)과 함께 생체 외에서 배양을 통해 충분한 숫 자의 세포를 획득할 수 있다는 점에서 매력적인 줄기세포 로 여겨지고 있다.
한편, 최근까지 심근세포는 출생 후 더 이상 분열하지 않고 스스로 복제할 수 없는 최종 분화된 세포로 알려져 왔으나 최근 심장에도 줄기세포(cardiac stem cells)가 존 재하고 있음이 보고되었다(24). 심장에서 분리된 줄기세 포는 다른 줄기세포와 같이 배양을 통한 무한 증식이 가능 하고, Lin-/C－kit+/CD45-/CD34-의 세포 표지자를 나타 내며, 생체 외에서 심근세포, 평활근 세포, 그리고 혈관내 피세포로 분화가 가능하다. 이 세포를 경색 심근에 이식하 였을 때 새로운 심근과 함께 평활근 세포 및 혈관세포를 형성하며, 심장 기능이 개선됨이 보고되고 있다. 따라서 골수 줄기세포나 다른 장기에 있는 줄기세포를 자극하지 않고 심장 줄기세포만 증식시키는 방법 및 가동화 등이 해 결된다면 획기적인 줄기세포가 될 것으로 생각된다. 그러 나 심근 줄기세포가 각각 다른 계대에서 혈관, 평활근, 심 근으로 분화된다는 것에 대한 기전이 설명되어야 한다.
직접적인 줄기세포 이식 외에 심근에는 SCF(stem cell factor), SDF－1(stromal derived factor－1)과 수 용체인 CXCR－4가 설치류의 배아 발생시기에 심장 형 성에 필수적인 요소임이 알려졌고, 이것을 이용하여 골수 줄기세포의 가동화를 이용하는 방법이 대두되고 있다.
G－CSF(granulocyte－colony stimulating factor)의 투여시 Lin-/C－kit+세포를 혈중 내 250배 이상으로 가 동화 시킨다고 알려졌는데, 가동화된 세포는 조혈세포를
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소시킬 수 있음이 동물실험을 통해 보고되었다(25). 그러 나 이 연구는 경색 전에 이미 G－CSF를 주사했으며 골 수세포의 세포 표지자가 없어 줄기세포가 경색 심근으로 의 이동과 심근세포로의 분화를 증명하지 못한 한계가 있 다. 또한 임상적용시 주의해야 할 점들은 경색 심근 환자 에게 G－CSF를 주사하는 경우 관상동맥의 주 병변과는 관계가 없는 관상동맥 죽상 경화판의 불안정화에 영향을 미칠 수 있다. 또한 백혈구같은 기타 세포가 심장으로의 가동화를 경쟁적으로 일으킬 수 있으므로 경색 초기에 G－CSF를 이식하는 것은 효과적이지 못하다. 나아가 임 상적, 단기적으로는 부작용이 수용할 수 있는 범위일지라 도, 장기간 투여시 G－CSF에 의한 부작용에 대해선 알 려진 바가 없다. 하지만 G－CSF만으로 줄기세포의 가동 화를 통해 심장 기능이 개선될 수 있다면 줄기세포의 분 리, 배양, 이식을 위한 수술, 면역거부반응 등을 고려하지 않아도 되므로 그 기전에 대한 연구가 충분히 이루어진다 면 향후 줄기세포를 이용한 세포 치료의 새로운 방법이 될 것으로 예측된다.
현재 진행중인 임상실험(PHASE I)
줄기세포의 동물실험을 통하여 경색 심근 및 협심증 환 자에서 줄기세포 치료의 안전성과 유효성 실험이 최근 시 도되고 있다.
먼저 자가 골격근 줄기세포를 이용한 Phase I 임상실 험에서는 심구혈률이 0.35% 미만인 심각한 좌심실 기능 저하 환자에게 평균 874×106 세포가 관동맥 우회술과 동시에 경색 부위에 직접 이식되었다. 이식하고 10.9개월
심실제세동기(implantable cardiodefibrillator) 시술이 추후 요구되었다(26). 이런 초기 결과들은 골격근 세포 이식은 세포 이식 후 심장 부정맥이 발생하는 부작용이 나타날 수 있음을 시사한다. 그 이유로는 경색 심근에 이 식된 골격근 세포는 심장근 세포와 달리 여전히 활동전위 지연(action potential duration)되는 골격근 세포 특징 을 유지하고 있기 때문에 심실 부정맥을 유발한다는 점이 제시되고 있다.
골수 줄기세포를 이용한 임상실험에서는 골격근 줄기세 포를 이용한 경우에서처럼 악성 부정맥이 발생하였다는 보고는 없다. Strauer 등은 급성 심근경색 환자에 환자 본 인의 골수에서 채취한 1.2×107개의 골수 유래 단핵구 세 포를 심근경색 발생 7일째 경색 관상동맥에 주입하였다.
줄기세포 이식 후 10주에 심근경색의 크기가 24.6%에서 15.7%로 감소하였고, 심구혈률은 20~30% 이상 증가하 였으며 확장기 말 좌심실 용적은 30% 감소하였다고 발표 하였다(27). TOPCARE－AMI study를 통하여 순환 혈 관내피전구세포(endothelial progenitor cells, EPCs) 또 는 골수유래 단핵세포를 재관류된 급성 심근경색 환자의 관상동맥에 이식한 결과 4개월 후 세포를 이식한 두 그룹 의 좌심실 심구혈률이 8.5% 증가하였고, 좌심실 벽운동이 호전되었으며, 경색 부위의 심근 생존율이 통계적으로 유 의하게 증가되었다. 또한 골격근 줄기세포를 이식한 것과 달리 심실 부정맥이 발견되지 않았다(28).
임상적용을 위해 해결해야 할 문제점 줄기세포를 이용한 세포치료를 임상에 적용하기 위해
서는 줄기세포의 종류, 충분한 숫자의 줄기세포, 이식 방 법 등이 좀 더 명확히 규명되어야 한다. 현재 대부분 연구 들이 HSCs를 이용한 임상 시도를 하고 있다. MSCs는 혈관내피세포와 심근세포로 분화할 수 있는 능력이 HSCs보다 부족하다고 판단되기 때문이다. 그러나 최근 사람의 골수세포에서 MAPCs가 보고되었는데, MAPCs 는 직접 심근에 이식하였을 때 새로운 심근세포와 혈관을 형성하였으며 골수 뿐만 아니라 뇌, 근육, 그리고 지방에 서도 분리할 수 있는 세포여서 이에 대해 관심이 증대되 고 있다. 그러나 이 세포의 기원과 각 장기에서 분리된 MAPCs가 각각 고유한 특성을 지니고 있는지에 대해서 는 아직 알려져 있지 않다(20). 또한 줄기세포의 자가이 식 또는 이종이식에 대한 문제가 대두된다. 만약 HSCs 를 이종이식할 경우 GVHD(Graft－Versus－Host Di- sease)가 발생할 수 있다. 또 채취된 골수는 체외에서 증 식 없이 바로 이식된다. 자가 MSCs는 체외에서 증식할 수 있으나, 세포 이식시 정맥으로 이식이 아닌 카테터를 이용한 심근으로의 직접 이식이 필요하다. MSCs의 이종 이식의 경우 손상된 조직으로의 회귀가 가능하고, 세포이 식시 면역억제가 필요없다고 알려져 있다(29). G－CSF 를 이용한 줄기세포의 가동화 역시 쉽게 처치가 가능하다 는 장점 때문에 가능성 있는 방법으로 대두되고 있다. 동 물실험에서 줄기세포를 직접 이식한 경우 혹은 정맥 투 여, 그리고 싸이토카인으로 가동화한 경우에서 경색 심근 기능의 복원 정도가 유사한 것으로 알려졌다. 그러나 임 상에서는 몇가지 문제점들이 해결되어야 하는데 급성 경 색 심근 환자에 있는 불안정한 죽상 경화판에 영향을 미 칠 수 있다는 점이다(30~32). 이론상 이런 죽상 경화판 은 G－CSF 처치 후 혈액 내 백혈구의 숫자가 증가됨으 로 인하여 불안정화 될 수 있다. G－CSF를 짧은 기간 임 상적으로 처치했을 경우에는 염증반응성 싸이토카인이
증가하지 않는다(33). G－CSF를 이용할 경우 가장 큰 부작용은 환자가 느끼는 뼈의 통증이다. 또한 줄기세포 이식 후 장기적인 부작용에 대해서는 알려져 있지 않다.
한 연구 결과에서 MSCs를 경색 심근에 직접 이식 후 심 방 조직에 신경의 발아(nerve sprouts)가 발견된다고 보 고하였다. 신경의 발아는 부정맥의 가능성을 증가시키고 교감성 신경의 과다분포를 유도할 수 있다. 줄기세포에서 분화된 심근세포가 생체 외에서 활동전위의 지연이 길어 지고, 쉽게 부정맥이 발생할 수 있다는 보고가 있다(34).
따라서 이식된 세포는 회귀성 혹은 자동성 부정맥 등이 발생할 가능성이 있다. 결국 임상적 장점과 이론적 위험 간의 절충은 임상 시도에 의해서만 평가될 수 있다. 마지 막으로 경색 후 줄기세포에 의한 손상된 심근의 재생에 관여하는 분자생물학적 기전을 명확히 규명하여야 한다.
줄기세포의 증식을 자극하는 것, 손상된 조직으로의 회 귀, 전구세포의 심근세포 및 혈관내피세포로의 분화에 대 한 복잡한 신호전달체계를 이해하여야만 줄기세포의 가 동화를 최적화 할 수 있다.
결 론
환자에게 이상적인 치료를 위한 적절한 세포 및 이식방 법 등에 대한 다양한 문제점들이 있다. 그러나 이런 문제 점들을 해결해 나가는 노력을 하면 미래엔 유전자 조작과 응용기술의 발전에 힘입어 세포 치료가 각광받을 것이다.
예를 들면 이식세포에 자가 생존, 기능 및 이식된 주변 환 경을 개선시킬 수 있는 유전자 조작을 할 수 있다면 저하 된 심장 기능을 효율적으로 개선시킬 수 있고 유전적 조 작을 통하여 실시간 주변 환경 속에서 이식된 세포의 모 니터링 할 수 있는 세포를 이식한다면 질병이 진행되는 동안 변화되는 양상을 지켜볼 수 있을 것이다. 이식 세포
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질환의 치료 및 연구는 더욱 활발히 진행될 것이라 기대 할 수 있다.
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