목차
- 주요 포인트
- 서론
- 만능성 줄기세포의 출처
- 배아 줄기세포 (ESCs)
- 초소형 배아유사 줄기세포 (VSELs)
- 핵이식 줄기세포 (NTSCs)
- 재프로그래밍 줄기세포 (RSCs)
- 성체 줄기세포
- 임상 적용 및 향후 방향
- 윤리적 고려사항
- 자주 묻는 질문
- 출처 정보
주요 포인트
- 줄기세포는 자가 재생과 세 개의 배엽에서 유래한 특수화된 세포 유형으로 분화할 수 있습니다.
- 다섯 가지 주요 줄기세포 유형이 존재합니다: 배아 줄기세포, VSELs, 핵이식 줄기세포, 재프로그래밍 줄기세포 및 성체 줄기세포.
- 유도만능줄기세포 (iPSCs)는 소변 샘플과 같은 성체 세포에서 유래할 수 있습니다.
- 핵이식 줄기세포는 영장류를 복제하는 데 사용되어 질병 연구에 기여했습니다.
- 줄기세포를 이용한 망막 및 척수 이식에 대한 임상 시험이 진행 중입니다.
서론
줄기세포 연구는 지난 20년 동안 혁명적인 변화를 겪었으며, 특히 최근 10년 동안 급속한 발전이 이루어졌습니다. 이 분야는 1961년 캐나다의 제임스 A. 틸(James A. Till) 박사와 어니스트 A. 맥컬러(Ernest A. McCulloch) 박사가 다양한 세포 유형으로 분화할 수 있는 줄기세포를 쥐 골수에서 처음 발견하고, 신체의 어떤 세포 유형으로도 될 수 있는 능력을 가진 다능성 줄기세포(PSCs)의 개념을 확립하면서 시작되었습니다.
이 분야는 몇 가지 중요한 이정표를 달성했습니다: 1996년 체세포핵이식(SCNT)을 통해 양 '돌리'가 복제되었고, 1998년에 최초의 인간 배아 줄기세포(hESCs)가 분리되었으며, 2006년에는 성체 세포에 전사 인자 4개만 사용하여 재프로그래밍함으로써 유도만능줄기세포(iPSCs)가 만들어졌습니다. 이러한 발견의 중요성은 성숙한 세포를 다능성 상태로 재프로그래밍할 수 있음을 보여준 공로로 신야 야마카와(Shinya Yamanaka)와 존 거든(John Gurdon)이 2012년 노벨상을 수상하면서 인정받았습니다.
연구자들은 체계적인 검토를 통해 줄기세포의 다섯 가지 주요 범위를 확인했습니다: 배아 줄기세포(ESCs), 초소형 배아유사 줄기세포(VSELs), 핵이식 줄기세포(NTSCs), 재프로그래밍 줄기세포(RSCs), 그리고 성체 줄기세포입니다. 각 유형은 임상 적용에 있어 고유한 장점과 과제를 제공합니다. NTSC만이 완전한 생물체(2018년 중국의 원숭이)를 생성하는 데 사용된 반면, 다른 유형들은 조직과 장기를 생성하는 데 사용되었습니다.
줄기세포, 특히 ESCs와 iPSCs는 재생 및 이식 의학, 질병 모델링, 약물 발견 스크리닝, 인간 발생 생물학의 네 가지 주요 분야에서 엄청난 가능성을 보여줍니다. 이 분야는 초기 발견에서 확장된 임상 적용으로 계속 진화하고 있지만, iPSC 재프로그래밍 기술이 아직 비교적 새로운 만큼 세포 증식 및 분화 조절과 관련하여 여전히 과제가 남아 있습니다.
다능성 줄기세포의 출처
다능성 줄기세포(PSCs)는 자가 재생(증식 능력)과 다능성(외배엽, 내배엽 또는 중배엽이라는 세 가지 주요 배엽 중 하나에서 유래한 특수화된 세포 유형으로 분화할 수 있는 능력)이라는 두 가지 필수 특성을 가지고 있습니다. 연구자들은 쥐 모델에서 다능성을 테스트하기 위해 세 가지 주요 분석법을 사용합니다.
기형종 형성 분석은 면역이 억제된 쥐에 세포를 이식한 후 세 가지 배엽 모두에서 유래한 분화된 조직의 자발적 생성을 평가합니다. 키메라 형성 분석은 줄기세포가 초기 배반포(2N 배반포)에 주입되어 공여 세포가 생식계 전달 능력을 가지고 있는지, 기능성 생식자를 생성하는지, 그리고 염색체 무결성을 유지하는지 확인함으로써 줄기세포가 발달에 기여하는지 테스트합니다. 사배체 상보성 분석은 세포를 4N 배반포에 주입하고 이식된 줄기세포가 아닌 배반포 자체에서 유래한 태반 등 배외 계통의 성장을 모니터링하여 전체 생물체 내에서 다능성 세포의 능력을 결정합니다.
배아 줄기세포 (ESCs)
인간 배아 줄기세포(hESCs)는 수정 후 4-5일 차의 초기 단계 배반포에서 파괴하거나, 후기 단계 조직(임신 최대 3개월)을 채취하여 얻습니다. 이들은 연구 적용에 사용된 최초의 줄기세포이며, 현재 임상 시험(clinicaltrials.gov에서 추적 중)에서도 일반적으로 사용되고 있습니다.
hESCs는 다능성에 대한 금표준이지만, 배아 파괴에 대한 윤리적 우려와 환자 이식 시 잠재적인 면역 거부 문제라는 과제를 안고 있습니다. 이러한 도전에도 불구하고, 그들은 발생 생물학에 대한 귀중한 통찰력을 제공하고 새로운 줄기세포 기술의 중요한 비교 대상으로 계속 기능하고 있습니다.
초소형 배아유사 줄기세포 (VSELs)
2006년 확인된 이후 초소형 배아유사 줄기세포(VSELs)라고 불리는 새로운 유형의 다능성 줄기세포가 가능성을 보여주고 있습니다. 20개 이상의 독립적인 연구소가 그 존재를 확인했지만, 일부 그룹은 그 타당성에 의문을 제기했습니다. 이러한 세포는 다능성 마커를 발현하는 성체 조직에서 발견되는 작은 초기 발달 줄기세포입니다.
VSELs는 쥐에서 약 3-5마이크로미터, 인간에서 5-7마이크로미터 크기이며(적혈구보다 약간 작음), SSEA, 핵 Oct-4A, Nanog, Rex1을 포함한 ESC 마커와 이동하는 원시 생식세포의 마커인 Stella 및 Fragilis를 발현합니다. 그들의 발생 기원은 배아 발생 중 발달 중인 장기에서의 생식계 침전과 관련이 있을 수 있습니다.
2019년 제안된 모델에 따르면, VSELs는 원시 생식세포에서 유래하여 중간엽 줄기세포(MSCs), 혈관모세포(조혈 줄기세포 및 내피 전구 세포 포함), 그리고 조직 특화 줄기세포의 세 가지 잠재적 운명으로 분화합니다. 다능성 줄기세포로서 VSELs는 성체 동물이나 인간에서 배엽을 가로질러 분화할 수 있는 장점을 가질 가능성이 있으며, 성체의 단능성 조직 특화 줄기세포에 대한 대안으로 기능할 수 있습니다.
VSELs는 다른 줄기세포 유형과 관련된 여러 문제를 극복할 수 있습니다: ESCs의 윤리적 논쟁과 iPSCs의 기형종(종양) 형성 위험입니다. 이는 이러한 우려가 중요한 장벽으로 작용하는 미래의 줄기세포 연구 및 임상 적용에서 특히 유망함을 의미합니다.
핵이식 줄기세포 (NTSCs)
1996년 처음 발견된 체세포핵이식(SCNT) 기술은 점차 핵이식 줄기세포(NTSCs)를 생성하도록 진화했습니다. 이 과정은 완전히 분화된 체세포(예: 섬유아세포)의 공여 핵을 핵이 제거된 난자(핵이 제거된 난세포)에 이식하는 것으로 시작됩니다.
새로운 숙주 난자는 공여 핵의 유전적 재프로그래밍을 유발합니다. 배양 중인 이 단일 세포의 수많은 분열은 배반포(초기 단계 배아에서 약 100개 세포)를 발달시키고, 결국 원래 생물체와 거의 동일한 DNA를 가진 생물체를 생성하여 핵 공여체의 복제본을 만듭니다. 이 과정은 치료적 복제와 생식적 복제를 모두 생산할 수 있습니다.
1996년 돌리 양은 포유류의 첫 성공적인 생식적 복제 개체였습니다. 그 이후로 약 24종의 다른 종들이 복제되었습니다. 2018년 1월, 상하이 중국 과학자들은 태아 섬유아세포를 이용한 체세포핵이식(SCNT)을 통해 두 마리의 암컷 마카크 원숭이를 성공적으로 복제했다고 발표했으며, 이는 이 방법으로 복제된 최초의 영장류였습니다.
복제 영장류를 생성하는 것은 인간 질병 연구에 혁명을 가져올 수 있습니다. 유전적으로 균일한 비인간 영장류는 영장류 생물학 및 생의학 연구를 위한 가치 있는 동물 모델로 활용될 수 있으며, 이는 질병 기작과 약물 표적을 조사하는 데 도움이 되고 유전적 변이 혼란변수를 줄이며 필요한 실험동물의 수도 감소시킬 수 있습니다. 이 기술은 파킨슨병 및 다양한 암과 같은 인간 질환의 유전자 조작 영장류 모델을 생성하기 위해 CRISPR-Cas9 게놈 편집과 결합될 수 있습니다.
제약 회사들은 약물 테스트를 위한 복제 원숭이에 대한 높은 수요를 표명했습니다. 이 전망에 열광한 상하이는 국제적으로 사용되는 복제 연구 동물을 생산하기 위해 국제 영장류 연구 센터 설립을 위한 자금 지원을 최우선으로 고려하고 있습니다. 체세포핵이식은 전체 살아있는 신체를 생성할 수 있다는 점에서 줄기세포 접근법 중 유일하며, 단순히 세포 층, 조직 또는 장기 조각만을 생성하는 것과 달리 기본 연구 및 임상 적용 모두에서 배아 줄기세포(ESCs)와 유도만능줄기세포(iPSCs)보다 생리물리학적 기능적 이점을 제공합니다.
재프로그래밍 줄기세포(RSCs)
야마카와 및 동료들이 2006년 유도만능줄기세포(iPSCs)를 처음 생성한 이후로 재프로그래밍 기술은 크게 발전했습니다. 이는 계통 제한 전사 인자, RNA 신호 수정 및 작은 분자 또는 화학물질을 사용하여 특정 조직 계통을 생산하기 위한 실험실 환경(in vitro)과 살아있는 생물체 내(in vivo) 모두에서 직접 재프로그래밍 방법의 경우 특히 그러합니다.
이러한 직접적 접근법은 iPSC 단계를 건너뛰어 신경 세포 및 이후 운동 뉴런과 같은 표적 세포 계통에 더 가까운 유도 신경 전구세포(iNPCs)와 같은 더 정밀한 세포를 생성합니다. 재프로그래밍 줄기세포(RSCs)는 체세포핵이식 기술을 제외하고 기본 세포의 유전적 신호를 재프로그래밍하기 위해 모든 실험실 방법을 적용하여 파생됩니다.
배아 줄기세포(hESCs)와 관련된 윤리적 및 면역원성 과제를 극복하기 위해, iPSCs는 성인 체세포 조직에서 유래한다는 점에서 유망한 대안으로 부상했습니다. 인간 iPSC의 원천—혈액, 피부 및 소변—은 풍부합니다. hiPSCs를 개별 환자로부터 채취할 수 있으므로 동일한 환자에게 이식할 때(자가 이식) 면역 거부를 피할 수 있습니다.
연구자들은 소변에 존재하는 신세뇨관 세포에서 hiPSCs를 얻는 방법을 개발했습니다. 30ml의 소변 샘플만 필요한 이 프로토콜은 간단하고 비교적 빠르며 비용 효율적이고 보편적(모든 연령, 성별 및 인종/민족 배경의 환자에게 적용 가능)입니다. 전체 절차에는 단 2주의 세포 배양과 3~4주의 재프로그래밍이 포함되어 우수한 분화 잠재력을 가진 높은 iPSC 수율을 생산합니다.
센다이 바이러스 전달 시스템을 통해 수집된 200mL의 깨끗한 중간 유량 소변 샘플에서 수집된 소변 유래 iPSCs는 정상적인 핵형(염색체 구조)을 보였으며 기형종 형성 분석에서 세 개의 배엽 모두로 분화할 잠재력을 나타냈습니다. 소변에서 분리된 세포 하위 집합은 c-Kit, SSEA4, CD105, CD73, CD91, CD133 및 CD44 마커의 세포 표면 발현을 포함한 전구세포 특징을 보였으며, 이는 방광 세포 계통(요로 상피, 평활근, 내피 및 간질)을 구별할 수 있어 유망한 대체 세포 원천이 됩니다.
성인 줄기세포
성인 줄기세포는 신체의 다양한 조직에서 발견되는 또 다른 중요한 줄기세포 범주를 나타냅니다. 만능성 줄기세포와 달리, 이러한 세포들은 일반적으로 다능성으로 기원 조직에 특정한 제한된 범위의 세포 유형으로 분화할 수 있습니다.
일반적인 원천에는 골수, 지방 조직, 치수 및 다양한 장기가 포함됩니다. 중간엽 줄기세포(MSCs)는 가장 많이 연구된 성인 줄기세포 중 하나이며 염증 상태 치료, 조직 복구 촉진 및 면역 반응 조절에서 유망한 결과를 보였습니다.
만능성 줄기세포보다 다재다능하지는 않지만, 성인 줄기세포는 더 적은 윤리적 문제, 낮은 종양 형성 위험 및 골수 이식과 같은 절차에서의 확립된 임상 사용과 같은 이점을 제공합니다. 연구는 그들의 전체 잠재력과 작용 기작을 탐구하기 위해 계속되고 있습니다.
임상 적용 및 향후 방향
줄기세포 연구는 기본 연구, 전임상 연구를 거쳐 이제 여러 적용 영역에서 임상 시험으로 진전되었습니다. 재프로그래밍 인자 조합, 실험 방법 및 신호 전달 경로 규명의 발전은 망막 세포 이식 및 척수 이식에 대한 첫 번째 임상 시험에 기여했습니다.
이 분야는 여전히 세포 증식 및 분화 제어와 관련된 과제를 해결하고 있습니다. 연구자들은 다음 방법론적 주제들을 체계적으로 검토하고 있습니다: 게놈 수정을 통한 만능성 유도; 재프로그래밍 인자를 갖춘 새로운 벡터 구축; 작은 분자 및 유전적 신호 전달 경로를 이용한 iPSC 만능성 증진; 마이크로RNA를 이용한 재프로그래밍 강화; 화학물질을 이용한 iPSC 만능성 유도 및 강화; 특정 분화된 세포 유형 생성; 그리고 iPSC 만능성 및 게놈 안정성 유지.
이러한 주제들은 임상 번역을 준비하기 위한 iPSC 생성 및 분화의 효능 극대화에 중요합니다. 세포 배양의 발전에는 feeder-free 배양, 엑소-프리 배지(동물 제품 회피) 및 다양한 생체재료 증강 기술이 포함됩니다. 3차원(3D) 세포 및 바이오프린팅 기술은 PSC 자원 및 살아있는 생물체 내 두 번째 세대 직접 세포 재프로그래밍과 함께 특히 유망한 방향을 나타냅니다.
장기적인 줄기세포 연구 및 임상 목표는 신경퇴행성 질환, 척수 손상, 심장병, 당뇨병 및 세포 대체 또는 조직 재생이 치료적 이점을 제공할 수 있는 많은 다른 상태를 포함하는 상태에 대해 안전하고 효과적인 치료를 개발하는 데 중점을 둡니다.
윤리적 고려사항
줄기세포 연구는 특히 배아 줄기세포 및 복제 기술과 관련하여 중요한 윤리적 고려사항들을 계속 탐색하고 있습니다. hESC 연구를 위한 인간 배아의 파괴는 많은 사회에서 여전히 논쟁의 대상이며 국가마다 다르게 규제되고 있습니다.
iPSC와 같은 새로운 기술은 배아 파괴 없이 대체 만능성 세포원을 제공함으로써 일부 윤리적 우려를 해소하는 데 도움이 됩니다. 그러나 유전자 조작, 세포 기증에 대한 동의, 그리고 결과물의 치료제에 대한 공정한 접근과 관련하여 새로운 윤리적 질문들이 대두되고 있습니다.
국제 연구 커뮤니티는 다양한 질환 및 상태로 고통받는 환자에게 잠재적 이점을 극대화하는 동시에 줄기세포 연구의 윤리적 발전을 보장하기 위해 지침과 규제를 지속적으로 개발하고 있습니다.
자주 묻는 질문
줄기세포에는 어떤 종류가 있나요?
본 기사는 배아 줄기세포(ESCs), 초소형 배아유사 줄기세포(VSELs), 핵이식 줄기세포(NTSCs), 재프로그래밍 줄기세포(RSCs), 성체 줄기세포 등 다섯 가지 주요 줄기세포 범주를 설명합니다. 각 유형은 고유한 출처와 임상적 잠재력을 가지고 있습니다. 예를 들어, ESCs는 배반포에서 채취하는 반면, iPSCs는 성체 세포에서 재프로그래밍됩니다.
줄기세포로 질병을 치료할 수 있나요?
네, 줄기세포는 재생의학, 질병 모델링 및 신약 개발 분야에서 유망한 가능성을 보이고 있습니다. 망막 및 척수 손상과 같은 질환에 대한 임상 시험이 진행 중입니다. 그러나 세포 증식과 분화를 통제하는 데에는 여전히 과제가 남아 있습니다. 성체 줄기세포는 이미 골수 이식에 사용되고 있으며, iPSCs는 맞춤형 치료를 가능하게 할 수 있습니다.
줄기세포 연구의 윤리적 우려 사항은 무엇인가요?
윤리적 우려는 주로 배아 줄기세포 연구를 위한 인간 배아의 파괴와 관련이 있습니다. 그러나 유도만능줄기세포(iPSCs)는 배아 파괴를 피하는 대안을 제공합니다. 핵이식 복제 또한 윤리적 질문을 제기합니다. 규제는 국가마다 다르며, 이러한 문제를 해결하기 위한 지속적인 연구가 이루어지고 있습니다.
환자로부터 유도만능줄기세포(iPSCs)는 어떻게 얻나요?
유도만능줄기세포(iPSCs)는 환자의 혈액, 피부 또는 소변에서 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 간단한 30ml의 소변 샘플은 신세관 세포를 제공하며, 이는 2주 동안 배양된 후 3~4주 동안 재프로그래밍되어 iPSCs가 됩니다. 이 방법은 비용 효율적이며 모든 연령대와 배경을 가진 환자에게 적용 가능합니다.
환자 자신의 줄기세포를 치료에 사용하는 장점은 무엇인가요?
혈액, 피부 또는 소변에서 유래한 유도만능줄기세포(iPSCs)와 같은 환자 자신의 줄기세포를 사용하면 세포가 환자와 유전적으로 동일하므로 면역 거부를 피할 수 있습니다. 이러한 자가 이식 접근법은 면역억제제의 필요성을 제거하고 이식 거부 위험을 줄입니다.
유도만능줄기세포 사용 시 종양 형성의 위험은 무엇인가요?
유도만능줄기세포(iPSCs)는 일종의 종양인 기형종 형성의 위험을 내포하고 있습니다. 이는 해당 분야에서 잘 알려진 과제입니다. iPSCs가 임상적으로 안전하게 사용되기 전에 이 위험을 최소화하기 위해 연구자들은 세포 증식과 분화를 통제하는 데 노력하고 있습니다.
줄기세포가 모든 세포 유형이 될 수 있음을 어떻게 검증하나요?
줄기세포는 쥐를 대상으로 한 세 가지 주요 분석을 통해 만능성을 테스트합니다. 기형종 형성 분석은 세포가 세 개의 배엽에서 조직을 생성할 수 있는지 확인합니다. 키메라 형성 분석은 세포가 발달에 기여하고 기능적인 생식자를 생산하는지 테스트합니다. 사배체 상보성 분석은 세포가 전체 유기체를 형성할 수 있는지 결정합니다.
척수 손상이나 망막 질환과 같은 상태에 대한 줄기세포 치료 전에 제2의 의견을 구해야 하나요?
이 분야가 빠르게 진화하고 있으며 망막 및 척수 손상과 같은 질환에 대한 임상 시험이 진행 중이므로, 줄기세포 치료 전에 제2의 의견이 유용할 수 있습니다. 서로 다른 전문가들은 배아, 유도만능줄기세포 및 성체 줄기세포를 포함한 다섯 가지 줄기세포 유형에 대해 다양한 전문 지식을 가질 수 있습니다. 제2의 의견은 실험적 치료의 적합한 후보자인지 확인하고, iPSCs와 관련된 기형종 형성 등의 위험을 명확히 하며, 대안에 대한 이해를 보장하는 데 도움이 될 수 있습니다. Diagnostic Detectives Network는 독립적인 전문가 제2의 의견을 제공합니다.
출처 정보
Original Article Title: Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications
Authors: Gele Liu, Brian T. David, Matthew Trawczynski, Richard G. Fessler
Publication: Stem Cell Reviews and Reports (2020) 16:3–32
DOI: https://doi.org/10.1007/s12015-019-09935-x
이 환자 친화적 기사는 동료 검토를 거친 연구를 바탕으로 하며, 원문의 모든 핵심 발견과 데이터를 보존하면서 복잡한 과학 정보를 이해하기 쉽게 전달하는 것을 목표로 합니다.
