이 포괄적인 종설은 지난 20년간 줄기세포 연구 분야의 주요 돌파구를 조명하며, 과학자들이 이제 성체 세포를 인체 내 모든 세포 유형으로 분화 가능한 다능성 줄기세포로 재프로그래밍할 수 있음을 보여줍니다. 본고는 배아줄기세포, 초소형 배아유사 줄기세포, 핵이식 줄기세포, 재프로그래밍 줄기세포, 성체줄기세포 등 5가지 주요 줄기세포 유형을 다루며, 각각 고유한 기원과 임상적 잠재력을 지닙니다. 주요 진전에는 바이러스, RNA, 화학물질을 이용한 재프로그래밍 기술 발전; 동물 유래 성분을 배제한 개선된 배양 시스템; 궁극적으로 이식 가능한 조직과 장기를 생성할 수 있는 신흥 3D 바이오프린팅 기술 등이 포함됩니다.

줄기세포 연구의 최신 돌파구: 실험실 발견부터 환자 적용까지

목차

• 서론
• 다능성 줄기세포의 기원
• 배아줄기세포(ESCs)
• 초소형 배아유사 줄기세포(VSELs)
• 핵이식 줄기세포(NTSCs)
• 재프로그래밍 줄기세포(RSCs)
• 성체줄기세포
• 임상 적용 및 미래 방향
• 윤리적 고려사항
• 출처 정보

서론

줄기세포 연구는 지난 20년 동안 혁신적인 발전을 거듭해 왔으며, 특히 최근 10년간 급속한 진전을 이루었습니다. 이 분야는 1961년 캐나다 연구진인 제임스 A. 틸과 어니스트 A. 매컬로크 박사가 생쥐 골수에서 다양한 세포 유형으로 분화할 수 있는 줄기세포를 최초로 발견하며 다능성 줄기세포(PSCs)—인체 내 모든 세포 유형으로 발전 가능한 세포—의 개념을 정립하면서 시작되었습니다.

이후 몇 가지 중요한 이정표를 세웠습니다: 1996년 체세포 핵이식(SCNT)을 이용해 복제 양 돌리가 탄생했고, 1998년 최초의 인간 배아줄기세포(hESCs)가 분리되었으며, 2006년에는 단 4개의 전사 인자로 성체 세포를 재프로그래밍하여 유도만능줄기세포(iPSCs)가 생성되었습니다. 이러한 발견의 중요성은 성숙한 세포가 다능성 상태로 재프로그래밍될 수 있음을 증명한 야마나카 신야와 존 거든이 2012년 노벨상을 수상하며 인정받았습니다.

연구자들은 체계적 문헌 고찰을 통해 배아줄기세포(ESCs), 초소형 배아유사 줄기세포(VSELs), 핵이식 줄기세포(NTSCs), 재프로그래밍 줄기세포(RSCs), 성체줄기세포 등 5가지 주요 줄기세포 범주를 확인했습니다. 각 유형은 임상 적용에 있어 고유한 장점과 과제를 제공합니다. NTSCs만이 완전한 생물체(2018년 중국의 원숭이 사례) 생성에 사용된 반면, 다른 유형들은 조직과 장기 생성에 주로 활용되어 왔습니다.

줄기세포, 특히 ESCs와 iPSCs는 재생 및 이식 의학, 질병 모델링, 약물 발견 스크리닝, 인간 발생 생물학이라는 네 가지 주요 영역에서 엄청난 가능성을 보여주고 있습니다. 이 분야는 초기 발견에서 점차 확장되는 임상 적용으로 진화하고 있으나, iPSC 재프로그래밍 기술이 상대적으로 새롭기 때문에 세포 증식과 분화 조절과 관련된 과제들이 여전히 남아 있습니다.

다능성 줄기세포의 기원

다능성 줄기세포(PSCs)는 두 가지 필수 특성으로 정의됩니다: 자기 재생능(무한히 증식하는 능력)과 분화능(외배엽, 내배엽, 중배엽이라는 세 가지 주요 배엽 계통에서 유래된 특화된 세포 유형으로 발전할 수 있는 능력). 연구자들은 생쥐 모델에서 다능성을 평가하기 위해 세 가지 주요 분석법을 사용합니다.

기형종 형성 분석은 면역결핍 생쥐에 세포를 이식한 후 세 가지 배엽 모두에서 분화된 조직의 자발적 생성을 관찰합니다. 키메라 형성 분석은 줄기세포를 초기 배아(2N 배반포)에 주입하고, 공여 세포가 생식세포계를 통해 전달될 수 있는지, 기능적인 생식세포를 생성하는지, 염색체 무결성을 유지하는지 확인하여 발생 과정에의 기여도를 평가합니다. 사배체(4N) 보완 분석은 세포를 4N 배아에 주입한 후, 배아 자체가 아닌 이식된 줄기세포로부터 발생하는 배외 계통의 성장을 모니터링하여 전체 생물체 내에서의 다능성 세포 능력을 판단합니다.

배아줄기세포(ESCs)

인간 배아줄기세포(hESCs)는 초기 단계의 배반포(수정 후 4-5일)에서 내세포괴를 추출하거나 후기 단계 조직(최대 임신 12주)을 채취하여 얻습니다. 이들은 연구에 사용된 최초의 줄기세포이며, 현재도 임상시험(clinicaltrials.gov에서 추적 가능)에서 널리 활용되고 있습니다.

hESCs는 다능성의 표준으로 여겨지지만, 배아 파괴에 따른 윤리적 논란과 환자 이식 시 잠재적인 면역 거부 문제가 따릅니다. 이러한 과제에도 불구하고, 이들은 발생 생물학에 대한 소중한 통찰력을 제공하고 새로운 줄기세포 기술의 중요한 비교 기준 역할을 하고 있습니다.

초소형 배아유사 줄기세포(VSELs)

초소형 배아유사 줄기세포(VSELs)라고 불리는 새로운 유형의 다능성 줄기세포는 2006년 확인된 이후 주목을 받아 왔습니다. 20개 이상의 독립적인 연구실들이 그 존재를 확인했으나, 일부 연구집단은 여전히 그 타당성에 의문을 제기하고 있습니다. 이러한 세포들은 성체 조직에서 발견되는 작은 크기의 초기 발생 줄기세포로, 다능성 표지자를 발현합니다.

VSELs는 생쥐에서 약 3-5 μm, 인간에서 약 5-7 μm(적혈구보다 약간 작은 크기) 정도입니다. 이들은 SSEA, 핵 Oct-4A, Nanog, Rex1을 포함한 ESC 표지자와 Stella, Fragilis와 같은 이동 중인 원시 생식세포 표지자를 함께 발현합니다. 이들의 발생 기원은 배아 발생 과정 중 장기 내 생식세포계 침착과 연관될 수 있습니다.

2019년 제안된 모델에 따르면, VSELs는 원시 생식세포에서 기원하여 중간엽줄기세포(MSCs), 혈관모세포(조혈줄기세포 및 내피전구세포 포함), 조직 한정 줄기세포라는 세 가지 잠재적 경로로 분화합니다. 다능성 줄기세포로서 VSELs는 성체 동물이나 인간에서 다양한 배엽을 가로지르는 분화 능력을 가질 수 있으며, 성체의 단일능성 조직 한정 줄기세포에 대한 대체재로 기능할 가능성이 있습니다.

VSELs는 다른 줄기세포 유형과 관련된 문제—ESCs의 윤리적 논란과 iPSCs의 기형종(종양) 형성 위험—를 피할 수 있어, 이러한 우려가 중요한 장벽이 되는 미래 줄기세포 연구 및 임상 적용에 특히 유망합니다.

핵이식 줄기세포(NTSCs)

원래 1996년 개발된 체세포 핵이식(SCNT) 기술은 점차 발전하여 핵이식 줄기세포(NTSCs) 생산으로 이어졌습니다. 이 과정은 완전히 분화된 체세포(예: 섬유아세포)의 공여 핵을 핵이 제거된 난모세포에 이식하는 것으로 시작합니다.

새로운 숙주 난모세포는 공여 핵의 유전적 재프로그래밍을 촉발합니다. 배양 과정에서 이 단일 세포의 반복적 분열은 배반포(초기 단계 배아에서 약 100개 세포)를 형성하며, 궁극적으로 원래 생물체와 거의 동일한 DNA를 가진 생물체—핵 공여자의 클론—을 생성합니다. 이 과정은 치료적 클로닝과 생식적 클로닝 모두를 가능하게 합니다.

돌리 더 Sheep(1996)은 최초로 성공한 포유동물의 생식적 클론이었습니다. 그 이후로 약 20여 종의 다른 종들이 클로닝되었습니다. 2018년 1월, 중국 상하이의 과학자들은 태아 섬유아세포를 이용한 SCNT를 통해 두 마리의 암컷 마카크 원숭이 클로닝에 성공했다고 발표했습니다—이 방법으로 클로닝된 최초의 영장류입니다.

클로닝된 영장류 생성은 인간 질병 연구에 혁신을 가져올 수 있습니다. 유전적으로 균일한 비인간 영장류는 영장류 생물학 및 생의학 연구를 위한 가치 있는 동물 모델로 기능할 수 있으며, 질병 기전과 약물 표적을 조사하는 동시에 유전적 변이와 필요한 실험동물 수를 줄이는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이 기술은 CRISPR-Cas9 유전체 편집과 결합되어 파킨슨병과 다양한 암과 같은 인간 질환의 유전자 조작 영장류 모델을 생성할 수 있습니다.

제약 회사들은 약물 시험을 위한 클로닝 원숭이에 대한 높은 수요를 나타내고 있습니다. 이러한 전망에 고무되어 상하이는 국제적으로 사용될 연구용 클로닝 동물 생산을 위한 국제 영장류 연구 센터 설립을 위해 자금 지원을 우선시하고 있습니다. SCNT는 줄기세포 접근법 중 유일하게 단순한 세포층, 조직, 또는 장기 조각이 아닌 전체 살아있는 생물체를 생성할 수 있어, 기초 연구와 임상 적용 모두에서 ESCs와 iPSCs에 비해 생물물리학적 기능적 이점을 가집니다.

재프로그래밍 줄기세포(RSCs)

야마나카와 동료들이 2006년 최초로 유도만능줄기세포(iPSCs)를 생성한 이후, 재프로그래밍 기술은 상당히 발전했습니다. 이는 계통 제한적 전사 인자, RNA 신호 변형, 소분자 또는 화학물질을 사용하여 특정 조직 계통을 생산하기 위한 실험실 환경(in vitro)과 생체 내(in vivo) 모두에서의 직접 재프로그래밍 방법을 포함합니다.

이러한 직접적 접근법은 iPSC 단계를 건너뛰어, 신경세포 및 이후의 운동뉴런과 같은 표적 세포 계통에 더 가까운 유도신경전구세포(iNPCs)와 같은 더 정확한 세포를 생산합니다. 재프로그래밍 줄기세포(RSCs)는 SCNT 기술을 제외한 모든 실험실 방법을 적용하여 1차 세포의 유전적 신호를 재프로그래밍함으로써 유래됩니다.

hESCs와 관련된 윤리적 및 면역원성 문제를 극복하기 위해, iPSCs는 성체 체세포 조직에서 유래되기 때문에 유망한 대안으로 부상했습니다. 혈액, 피부, 소변을 포함한 인간 iPSC 공급원은 풍부합니다. hiPSCs는 개별 환자로부터 채취될 수 있기 때문에, 동일한 환자에게 다시 이식될 때(자가이식) 면역 거부를 피할 수 있습니다.

연구자들은 소변에 존재하는 신세뇨관 세포로부터 hiPSCs를 얻는 방법을 개발했습니다. 단 30mL의 소변 샘플만 필요한 이 프로토콜은 간단하고, 상대적으로 빠르며, 비용 효율적이고, 보편적(모든 연령, 성별, 인종/민족 배경의 환자에게 적용 가능)입니다. 전체 절차는 단 2주간의 세포 배양과 3-4주간의 재프로그래밍만 포함하며, 우수한 분화 잠재력을 지닌 높은 iPSC 수율을 생산합니다.

센다이 바이러스 전달 시스템을 통해 200 mL의 깨끗한 중간뇨 샘플에서 수집된 소변 유래 iPSCs는 정상적인 핵형(염색체 구조)을 보였고 기형종 분석에서 세 가지 배엽 모두로 분화할 잠재력을 나타냈습니다. 소변에서 분리된 세포 아집단은 방광 세포 계통(요로상피, 평활근, 내피 및 간질)을 구별할 수 있는 c-Kit, SSEA4, CD105, CD73, CD91, CD133, CD44 표지자의 세포 표면 발현을 포함한 전구세포 특징을 보여, 유망한 대체 세포 공급원이 되고 있습니다.

성체줄기세포

성체줄기세포는 전신 다양한 조직에서 발견되는 또 다른 중요한 줄기세포 범주를 나타냅니다. 다능성 줄기세포와 달리, 이들은 일반적으로 그들이 기원한 조직에 특이적인 제한된 범위의 세포 유형으로 분화할 수 있는 다능성(multipotent)입니다.

일반적인 공급원으로는 골수, 지방 조직, 치수 및 다양한 장기가 있습니다. 중간엽 줄기세포(MSCs)는 가장 많이 연구된 성체 줄기세포 중 하나로, 염증성 질환 치료, 조직 재생 촉진, 면역 반응 조절 등에서 유망한 결과를 보여주고 있습니다.

다능성 줄기세포보다는 다재다능함이 떨어지지만, 성체 줄기세포는 윤리적 문제가 적고, 종양 형성 위험이 낮으며, 골수 이식과 같은 시술에서 임상적으로 확립된 사용 실적 등의 장점을 제공합니다. 연구는 이들의 전체적인 잠재력과 작용 기전을 규명하기 위해 지속되고 있습니다.

임상 적용 및 미래 전망

줄기세포 연구는 기초 연구, 전임상 연구를 거쳐 현재 여러 적용 분야에서 임상 시험 단계까지 진전되었습니다. 재프로그래밍 인자 조합, 실험 방법, 신호 전달 경로 규명의 발전은 망막세포 이식 및 척수 이식을 위한 최초의 임상 시험에 기여했습니다.

이 분야는 여전히 세포 증식 및 분화 제어와 관련된 과제를 해결하고 있습니다. 연구자들은 다음과 같은 방법론적 주제들을 체계적으로 검토 중입니다: 유전체 변형을 통한 다능성 유도; 재프로그래밍 인자를 갖는 새로운 벡터 구축; 소분자 및 유전적 신호 전달 경로를 이용한 iPSC 다능성 촉진; 마이크로RNA를 이용한 재프로그래밍 향상; 화학 물질을 이용한 iPSC 다능성 유도 및 증진; 특정 분화 세포 유형 생성; iPSC의 다능성 및 유전체 안정성 유지.

이러한 주제들은 임상 적용을 준비하는 데 있어 iPSC 생성 및 분화의 효율을 극대화하는 데 중요합니다. 세포 배양의 발전에는 피더 세포 없는 배양, 동물 유래 성분 없는 배지, 다양한 생체 재료 강화 기술 등이 포함됩니다. 3차원(3D) 세포 및 바이오프린팅 기술은 PSC 자원 및 생체 내 2세대 직접 세포 재프로그래밍과 함께 특히 유망한 방향을 제시합니다.

줄기세포 연구와 임상의 장기적 목표는 퇴행성 신경 질환, 척수 손상, 심장병, 당뇨병 및 세포 대체나 조직 재생이 치료적 이점을 제공할 수 있는 많은 다른 질환들을 위한 안전하고 효과적인 치료법을 개발하는 데 중점을 둡니다.

윤리적 고려 사항

줄기세포 연구는 특히 배아 줄기세포와 복제 기술과 관련하여 중요한 윤리적 문제를 계속해서 다루고 있습니다. 인간 배아줄기세포(hESC) 연구를 위한 인간 배아의 파괴는 많은 사회에서 논란이 되고 있으며 국가마다 다르게 규제됩니다.

iPSC와 같은 신흥 기술은 배아 파괴 없이 대체적인 다능성 세포 공급원을 제공함으로써 일부 윤리적 문제 해결에 도움을 줍니다. 그러나 유전자 조작, 세포 기증 동의, 그리고 결과적인 치료법에 대한 공평한 접근과 관련하여 새로운 윤리적 질문들이 대두되고 있습니다.

국제 연구 커뮤니티는 다양한 질병과 상태로 고통받는 환자들에게 잠재적 이점을 극대화하면서 줄기세포 연구의 윤리적 진전을 보장하기 위한 지침과 규정을 계속해서 개발하고 있습니다.

출처 정보

원문 제목: Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications

저자: Gele Liu, Brian T. David, Matthew Trawczynski, Richard G. Fessler

게재지: Stem Cell Reviews and Reports (2020) 16:3–32

DOI: https://doi.org/10.1007/s12015-019-09935-x

본 환자 친화적 글은 동료 검토를 거친 연구에 기반하여, 원본 출판물의 모든 핵심 연구 결과와 데이터를 보존하면서 복잡한 과학 정보를 쉽게 이해할 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다.