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줄기세포를 이용한 세포치료의 현재와 미래
| 작성자 | 관리자 | 카테고리 | 전문가 인사이트 |
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| 작성일 | 2020-05-18 | 조회수 | 34,986 |
| 원문 | 한국보건산업진흥원 | ||
| 출처 | |||
줄기세포를 이용한 세포치료의 현재와 미래
글: 한민준 박사(GPKOL)
Introduction
신약개발의 패러다임(paradigm)은 화학물질의 합성을 통한 합성 신약의 개념에서 출발하였지만 현재는 단백질 공학을 이용한 항체 치료와 같은 바이오 신약의 개념으로 그 의미가 확장되어왔다. 최근에는 치료를 위해 살아있는 세포를 환자에게 직접 주입하는 세포 치료의 개념으로 더욱 확장되고있다. 이것은 small molecule(합성 신약)에서 출발해서 large molecule(바이오 신약)을 거쳐 mega molecule(세포치료)로의 진화를 의미하기도 한다. 재생 의학은 선천적 돌연변이에 의한 유전적 변형 혹은 불의의 사고나 퇴행성 질환으로 인해 기능성을 잃어버린 인체의 기관이나 세포를 정상적으로 되돌리는 것을 목표로 하고있다. 이러한 재생 의학의 발전에 이바지한 커다란 사건들을 꼽아보자면 줄기세포(stem cell)의 발견과 역분화(reprogramming)를 이용한 줄기세포의 생성을 꼽을 수 있다. 이러한 줄기세포를 이용해 만들어진 세포치료용 의약품들은 여러가지 질병의 치료 방법으로 그 동안 꾸준히 많은 연구자들에 의해 개발되어 최근에는 여러 임상시험들이 환자들을 통해 진행중에 있고 다가올 미래에는 기존의 합성신약들을 능가할 치료방법이 되리라 예측되고 있다.
1. 줄기세포란 무엇인가?
줄기세포는 기본적으로 분화가 이루어진 성체 세포와는 다른 몇 가지 커다란 특성들을 지니고 있다. 대표적인 줄기세포만의 특징으로는 자기복제(self-renewal) 능력과 다분화능(pluripotency)을 들을 수 있다. 자기복제 능력이라 함은 줄기세포 자체가 자신의 특성인 다분화능을 잃어버리지 않은 채 무한대로 자신과 같은 특성을 지닌 줄기세포로의 재생산이 가능한 것을 의미하며, 다분화능이란 줄기세포가 특정 환경과 조건 하에서 여러 다른 계통(lineage)의 세포로 분화가 이루어질 수 있음을 의미한다. 이러한 다분화능의 정도에 따라 줄기세포는 pluripotent stem cell(embryonic stem cell과 같이 모든 세포로의 분화가 가능한 줄기세포를 칭함), multipotent stem cell(hematopoietic stem cell과 같이 특정 계통으로의 분화가 결정되어 특정 계통의 세포로만 분화가 가능한 줄기세포를 칭함), unipotent stem cell(muscle stem cell과 같이 이미 분화가 결정된 상태의 줄기세포로서 오직 특정 세포로의 분화만 가능한 줄기세포를 칭함)로 구분할 수 있다.
1.1. 배아줄기세포(Embryonic stem cell)
배아줄기세포는 1998년 Dr. Thompson에 의해서 처음으로 분리되어 in vitro상에서 배양이 가능하게 되었고, 이러한 배양 기술을 발전시켜 현재는 세포 배양을 위한 배양액(chemically defined medium)들도 개발이 되어 세포치료에 필요한 임상 목적의 대량생산도 가능하게 되었다[1]. 배아줄기세포는 수정 이후 3~5일의 수정란 blastocysts의 inner cell mass에서부터 유래되어 만들어지기 때문에 수정된 수정란을 희생하지 않고는 분리 생성 할 수 없다. 결국 배아줄기세포의 생성을 위해서는 잠재적 태아의 희생이라는 윤리적 문제를 태생적으로 안고 개발된것이다[2]. 따라서 종교와 윤리적 문제에서 오는 여러 가지 연구의 제약과 반대를 극복해야 하는 문제를 함께 가지고 있기도 하다. 하지만 Dr. Thompson의 첫 번째 배아줄기세포 이후로 많은 연구자들에 의해 다양한 인간 배아줄기세포주가 현재까지 개발되어왔고, 생산된 배아줄기세포를 이용한 여러 퇴행성질환[3-5]의 세포치료가 그 동안 진행되어왔다.
1.2. 유도만능줄기세포(Induced pluripotent stem cell)
Dr. Yamanaka에 의해 처음으로 고안된 유도만능줄기세포는, 2007년에 4개의 transcription factor(c-myc, Klf4, Oct4, Sox2)를 레트로 바이러스(retro virus)를 이용해 완전하게 분화가 이루어진 인간의 상피세포가 줄기세포로 만들어 질 수 있음을 보여줌으로 시작되었다[6]. 그 이후로 전 세계 여러 다른 그룹들에 의해서 다양한 유전자 운반체(lenti virus[7], AAV virus[8])를 이용한 유도만능줄기세포들이 만들어짐으로 그 기술이 검증되었고 이제는 임상에 적용할 수 있는 단계에 이르게 되었다. 이러한 유도만능줄기세포는 배아줄기세포와 매우 흡사한 기능과 특성들을 보여주고 있다. 유도만능줄기세포의 가장 큰 매력은 맞춤형 환자 세포 치료가 가능하다는 점을 들 수 있다. 환자의 세포를 이용해 만들어진 줄기세포이기 때문에 세포치료를 위해 환자에게 이식 후 발생 가능한 면역거부반응에 대한 위험이 다른 종류의 줄기세포보다 훨씬 적다. 또한 환자 고유의 유전체적 특성을 모두 가지고 있기 때문에 이를 이용한 질병의 모델링이 가능하며 drug library screening를 통한 신약개발에도 적용 가능하기 때문에 유도만능줄기세포는 질병의 연구와 치료에 무한한 잠재력을 가지고 있는 도구이다. 하지만 1세대 유도만능줄기세포를 만들기 위해 사용된 벡터인 렌티 바이러스나 레트로 바이러스의 경우 인간의 유전체에 무작위 적으로 삽입이 되기 때문에 줄기세포를 만든 이후 사용된 transcription factor들의 발현을 통제 할 수 없어서 세포 치료로 사용하기에는 어려운 문제점들이 있었다. 또한 렌티 바이러스나 레트로 바이러스를 이용한 이러한 유도만능줄기세포의 경우 여러 유전체 불안정성(genomic instability)을 보여준다[9,10]. 따라서 세포치료의 목적에 맞게 이후로 많은 연구자들에 의해서 유전체에 삽입이 되지 않는 non-integrating reprogramming 방식, 예를 들어 Sendai virus[11], episomal plasmid[12], mRNA[13], protein delivery[14]등의 새로운 방식의 2세대 유도만능줄기세포들이 개발되었다. 이러한 방법들은 유도만능줄기세포 생성에 필요한 4개의 transcription factor(c-myc, Klf4, Oct4, Sox2)들이 한시적으로만 세포 내에서 발현되어 세포를 역분화 시킨 후 사라짐으로 안전성에 대한 문제를 해결해 주었다.
1.3. 조혈줄기세포(Hematopoieitc stem cell)
조혈줄기세포는 대표적인 성체줄기세포중의 하나이다. 비록 완벽한 pluripotency를 지니고 있지 않기 때문에 혈액세포로의 분화만의 한계가 있기는 하지만 배아줄기세포와 유도만능줄기세포를 이용한 세포 치료가 아직은 시작 단계의 치료 방법인데 반하여 조혈줄기세포를 이용한 세포 치료는 백혈병과 같은 질병 치료에 현재 널리 사용되는 매우 필수적인 치료 방법중의 하나이다. 하지만 조직적합성항원(Human Leukocyte antigen, HLA) 일치 및 제공자에 따른 제한적인 이식 가능성은 여전히 커다란 문제로 남아 있다[15]. 이러한 제한적 사용을 극복하고자 조직적합성항원 부위를 유전자 편집 기술로 변형시켜 면역 거부반응 없이 모든 환자에게 이식이 가능한 universal cell을 현재 개발 중에 있다[16]. 줄기세포와 조혈줄기전구세포(hematopoietic progenitor cells)를 이용해 여러 혈액세포들을 in vitro상에서 만드는 혈액세포 분화방법들은 많은 연구자들에 의해서 개발되었다. 현재까지 개발된 기술들은 대부분 유도만능줄기세포와 배아줄기세포를 이용해 embryoid body(EB)에서 자발적으로 분화를 유도하는 사이토카인(SCF, IL3, IL6, Flt-3)들을 첨가시켜 조혈줄기전구세포를 생성한 후 이를 이용해 적혈구나 혈소판으로의 분화를 유도하는 방법들이다[17]. 하지만 유도만능줄기세포와 배아줄기세포에서 유래된 조혈줄기전구세포들은 myeloid 계통의 혈액세포(RBC[18], myeloid[19], megakaryocyte[20])와 극히 일부의 lymphoid 계통의 혈액세포(NK cell[21])만을 생성할 수 밖에 없어서 활용 범위에 커다란 제약이 따르게 된다. 특별히 현재 혈액암의 커다란 치료 효과를 보여주고 있는 CAR-T(Chimeric Antigen Receptors-T cell) 치료법을 적용하기 위해서는 배아줄기세포나 유도만능줄기세포로부터 CD8+ cytotoxic T cell을 생성할 수 있어야 하지만 현재까지 이러한 기술이 개발되지 못하고 있다.
1.4. 중간엽줄기세포(Mesenchymal stem cell)
중간엽줄기세포는 골수나 지방조직등에서 비교적 손쉽게 분리해 낼 수 있는 성체줄기세포의 하나이다. 또한 다른 줄기세포들과 비교해 세포 배양이 비교적 쉽고 간단하기 때문에 저비용으로 대량 생산하는 배양 방법들이 그 동안 많이 개발 되어왔다는 장점이 있다. 비록 모든 계통의 세포로의 분화가 불가능 하기는 하지만 중간엽줄기세포는 osteoblast(뼈 세포), chondrocyte(연골 세포), myocyte(근육 세포), adipocyte(지방 세포)와 같이 비교적 다양한 세포로의 분화가 가능하기 때문에 유도만능줄기세포가 등장하기 전까지 많은 연구자들의 관심있는 연구 모델 중 하나였었다[22]. 중간엽줄기세포는 연골과 인대 같은 결합조직으로 분화할 수 있는 능력을 가질 뿐 아니라 면역조절 기능을 가지며 염증 반응을 저해하고 조직 재생 관여하기 때문에 현재 퇴행성 관절염의 대안 치료방법으로 사용되고 있다.
2. 임상 시험을 위한 줄기세포의 품질관리
줄기세포를 이용해 임상시험으로 그 적용 범위를 넓히기 위해서는 cGMP(good manufacturing practice)의 허가된 줄기세포 제조및 배양법의 적립과, 전임상과정의 효능과 안전성의 확보, 그리고 적법한 규제의 확립이 필수적이다. 따라서 줄기세포의 생산에는 매우 엄격한 품질관리가 요구된다. 다분화능(pluripotency)를 지닌 줄기세포들은 잠재적으로 인체내 이식 후 종양을 만들 수 있는 가능성이 높은 데다가 이식 과정에서 벌어질 수 있는 여러 감염의 문제들과 이식 후 환자의 면역 거부로 인한 부작용 등도 임상시험을 위해서는 고려해야만 한다[23].
살아있는 세포는 그 자체로 멸균이 불가능 하기 때문에 이를 이용하는 제품의 생산에는 항상 여러가지 오염원의 차단이 필수 적이다. 박테리아성 세균이나 진균류에 대한 검사 방식은 기존의 세포치료와 바이오신약을 통해 오랜 시간 정립이 되어 왔기 때문에 여러나라에서 매우 유사한 가이드 라인을 가지고 있다[23]. 세포치료를 위한 제품 생산에 있어서는 박테리아성 세균뿐 아니라 HBV, HCV 그리고 HIV등과 같은 바이러스성 병균에 대한 검사와 Mycoplasma에 의한 오염에 대한 검사 역시 철저하게 이루어 져야 한다.
세포주들 간의 교차 오염 등을 막기위해서는 single tandem repeat(STR) genotyping을 통해서 세포주의 identity를 확립하여야 한다. 일반적으로 세포치료에 사용되기 위한 유도만능줄기세포주들은 역분화에 사용된 체세포 단계에서 한번, 역분화 후 정립된 세포주 초기 단계에서 한번, 그리고 세포주의 master banking 단계에서 한번 이렇게 최소한 3단계의 STR genotyping을 수행하여서 세포 이식에 사용되는 세포주의 identity의 변화가 없음을 확인해주 어야 한다.
많은 연구자들을 통해서 줄기세포는 특별히 배양 방식과 환경에 따라서 다양한 유전적 변이와 비정상적인 karyotyping이 형성될 수 있음을 보여주고 있다. 그러기 때문에 임상에 들어가기 앞서 이러한 유전적 변이가 세포에 생성이 되었는지 면밀하게 확인해야 한다. 가장 고전적인 방법중의 하나인 G-band staining karyotyping은 cytogenetics 기술을 이용한 방법으로서 염색체(condensed chromosome)를 염색하여 염색체의 커다란 손실이나 첨부를 시각적으로 확인할 수 있는 방법이다. 하지만 5-10Mb 이상의 커다란 손실이나 첨부 만을 시각적으로 확인 할 수 있기때문에 염색체의 작은 결실 등은 확실 할 수 없다. 따라서 임상시험에 사용하기 위한 배아줄기세포와 유도만능줄기세포의 경우 5-10번의 계대배양마다 G-band staining을 통한 karyotyping을 확인 해야하고 master banking 단계나 임상에 사용하기 위한 단계의 세포들은 보다 정확한 정보를 위해 whole genome sequencing(WGS)를 통한 스크리닝을 포함 해야만 한다.
3. 진행중인 임상시험들
현재 배아줄기세포와 유도만능줄기세포를 이용한 많은 전 임상 단계의 실험들이 유의한 결과들을 보여줌으로 관련된 질병 치료 목적의 임상시험 역시 활발하게 진행중에 있다[24,25]. 유도만능줄기세포에 비해 배아줄기세포를 이용한 임상시험은 그 역사만큼 더 많은 케이스가 현재 진행중에 있다. 현재 약 29개의 임상시험이 배아줄기세포에서 유래된 세포를 이용해 진행중에 있다. 하지만 대부분의 실험들이 proof of concept을 확인하고 안전성 (safety)을 테스트하기 위한 적은 환자군(cohort)을 통한 임상시험들이다. 또한 많은 임상시험에 사용되는 배아줄기세포는 유도만능줄기세포와는 달리 세포주 생성 단계에서부터 임상시험을 위해서 제작된 것이 아니라 연구 목적으로 제작된 research grade 세포를 임상시험을 위해 cGMP 조건에 맞추어 다시 배양 한 세포주들이다. 현재까지 clinical grade 조건으로 처음부터 생산된 배아줄기세포는 매우 극소수이다 (Hadassah facility에서 제조된 HAD-C102 cell line[26]). 이에 반해 유도만능줄기세포는 앞서 언급한 non-integrating reprogramming 방식과 cGMP 조건에 맞추어 배양된 다양한 clinical grade의 세포주가 현재 개발되어 임상시험을 진행중에 있다. 유전자를 도입해서 생산하는 유도만능줄기세포에 비해 보다 높은 안전성을 이유로 배아줄기세포를 이용한 임상시험은 앞으로도 더욱 늘어날 전망이다. 배아줄기세포를 이용한 임상시험이 이루어 지고 있는 질병은 다음과 같다. Ischemic heart disease (Assistance Publique-Hopitaus de Paris/프랑스), Age Related Macular Degeneration (Astellas Pharma/미국, Cell Cure Neurosciences/이스라엘, CHA biotech/한국, Chinese Academy of Sciences/중국, Regenerative Patch Technologies/미국, Pfizer/영국), Stargardt macular dystrophy (Astellas Pharma/미국, CHA biotech/한국, Federal University of San Paulo/브라질), macular degenerative disease (Southwest Hospital/중국), spinal cord injury (Asterias Biotherapeutics/미국), Parkinson’s disease (Chinese Academy of Sciences/중국), diabetes mellitus type1 (Viacyte/미국, 캐나다), retinitis pigmentosa, severe ocular surface disease (Eye Institute of Xiamen University/중국) [24].
이에 반해 유도만능줄기세포를 이용한 임상시험은 현재 3개의 케이스가 진행중에 있다[24]. 가장 먼저 유도만능줄기세포를 이용한 임상시험은 2013년 일본 RIKEN에서 시행된 Age Related Macular Degeneration 치료를 위한 연구였다. 첫번째 임상시험은 순조롭게 진행되었다. 임상시험을 위해 환자 유래 유도만능줄기세포를 이용하여 retinal pigment epithelial 세포로 in vitro에서 분화를 시킨 다음 retinal pigment epithelial 세포를 환자에게 이식하는 것이었다. 이식 후 6개월만에 환자는 유의미한 시력의 회복을 보여주었고 환자의 안전과 관련된 어떠한 나쁜 증후도 보이지 않았다. 하지만 두번째 임상시험을 준비하던 중 환자의 체세포에서는 나타나지 않았던 2개의 유전자 변이가 이식을 위해 준비중이었던 retinal pigment epithelial 세포에서 발견됨으로서 모든 연구는 중단 되었다. 두번째 임상시험의 시도는 2016년 Cynata Therapeutics에서 스테로이드에 내성을 지닌 Graft-versus-host disease(GVHD) 환자 치료를 위한 환자 유래 유도만능줄기세포에서 제작된 mesenchymal stem cell 이다. Cynata Therapeutics의 임상 1상의 결과는 매우 고무적이었고 현재 임상 2상이 진행 중에 있다. 마지막으로 현재 진행중인 유도만능줄기세포를 이용한 임상시험은 일본의 쿄토 대학과 미국의 BlueRock Therapeutics에서 진행중인 Parkinson’s disease의 치료를 위한 유도만능줄기세포 유래 도파민 뉴런의 전구체(dopaminergic progenitor)의 세포이식 방법이다.
4. 결론
줄기세포와 역분화의 발견은 재생 의학뿐만 아니라 근대 의학의 흐름을 바꾸어준 커다란 사건이다. 기존의 관념적인 치료법은 질병의 원인이 되는 단백질의 억제나 특정 병원균을 타켓으로 병원균의 억제 혹은 제거를 목적으로 개발되어왔었다. 하지만 이러한 치료법은 때로는 질병의 근원적인 치료법이 되지 못하는 경우가 존재한다. 하지만 줄기세포를 이용한 세포치료는 정상적으로 작동할 수 없는 기능이 없는 세포나 기관을 새롭게 바꾸어 주는, 기존의 치료법으로는 치료가 불가능 했던 여러가지 질병의 근본적인 치료법을 우리에게 제시해 준다.
수정과 발생에서부터 생명의 탄생에 이르기 까지 세포의 발생과 분화는 인간의 기술 영역이 아닌 자연의 수동적 섭리라고 인류는 생각해 왔다. 하지만 이제는 기술을 통해서 이러한 자연의 현상이 재 창조될 수 있음을 보여준 것이 줄기세포를 통한 세포치료법이다. 최근 들어 급속도로 발전하는 유전자 편집(gene editing) 기술은 이러한 줄기세포의 잠재력을 폭발적으로 성장시키고 있다. 비정상적인 기능을 유래하는 유전자의 돌연변이를 이러한 유전자 편집 기술을 이용해 정상적인 기능으로 회복시켜 줄 수 있음이 여러 연구자들에 의해서 밝혀지고 있다. 비록 아직까지는 질병 치료를 위해 바로 적용하기에는 기술적 문제들이 아직 남아있기는 하지만 이러한 기술적인 문제들이 아주 먼 미래가 아닌 다가올 미래에 극복될 수 있으리라 예상해본다.
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