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제목 [바이오토픽] 조혈모세포, 실험실에서 대량생산 성공 등록일 2019.06.03 11:14
글쓴이 에디스젠 조회 141

쥐의 조혈모세포를 체외(체외)에서 증식시킨 비결은, 놀랍게도 접착제 성분이었다.

 조혈모세포, 실험실에서 대량생산 성공
@ Nature

연구자들은 실험실에서 '놀랍도록 단순한 접착제 성분'을 이용하여 조혈모세포의 수를 크게 증가시켰다. 그리고 그것을 생쥐에게 주입한 결과, 혈액의 핵심적인 구성요소를 만들기 시작했다.

"이번 발견은 매우 뜻밖이며 흥미롭다"라고 캐나다 프린스 마거릿 암센터의 존 딕(줄기세포생물학)은 논평했다.

만약 이번에 사용된 기법이 인간에게 적용될 수 있다면, (면역계가 화학요법에 의해 손상된) 백혈병과 같은 혈액암 환자들을 위해 조혈모세포를 배양하는 데 사용될 수 있을 것으로 보인다. 또한 그 접근방법은 겸상적혈구빈혈증(sickle-cell disease)과 같은 혈액장애 환자를 더욱 안전하게 치료하는 방법을 제공할 수 있을 것으로 보인다. 현재 혈액장애 환자들은 골수를 기증받기 전에 위험한 수술을 받아야 한다.

조혈모세포(HSCs: haematopoietic blood stem cells)는 스스로 재생되며, 혈액의 다른 구성요소들을 만들어낸다. 연구자들은 지난 수십 년 동안 조혈모세포를 실험실에서 배양하려고 노력해 왔지만, 지금까지 '신뢰할 만한 이식'이나 '(인체에 재도입됐을 때) 혈액세포 생성 착수'에 필요한 수량을 확보할 수 없었다.

일본 도쿄대학과 미국 스탠퍼드 대학교의 연구팀을 이끌고 이번 연구를 수행한 나카우치 히로미츠(中內啓光; 줄기세포생물학)는 5월 29일 《Nature》에 발표한 논문에서(참고 1), HSCs를 생쥐에게 성공적으로 이식한 과정을 기술했다. 먼저, 연구팀은 생쥐의 HSCs 집락을 불과 1개월 만에 거의 900배로 증식시켰다. 그 다음으로, 그들은 증식된 HSCs를 다른 생쥐들에게 주입했다. 그랬더니 이식된 HSCs들은 활발히 활동하며 혈액의 구성요소로 분화(分化)하는 게 아닌가! "그것은 내 인생의 목표였다"라고 나카우치는 말했다.

통상적으로, 동물의 면역계는 유전형이 불일치하는 공여세포(donor cell)를 파괴하려고 노력하기 마련이다. 대부분의 이식시술 전에 면역계가 제거되거나 억제되어야 하는 것은 바로 그 때문이다. 그러나 나카우치가 공여세포들을 (온전한 면역계를 보유한) 건강한 생쥐에게 주입했을 때, 이식된 세포들은 활발히 활동했다. 그 이유가 뭘까? 나카우치는 이렇게 설명한다. "그건 세포가 대량으로 도입되었기 때문인 것으로 보인다." 나카우치는 현재 인간의 HSCs를 배양하는 데 사용하기 위해, 이번에 사용된 기법을 개량하고 있다.

"이번 연구는 '실험실에서 배양된 HSCs가 며칠 이상 생존할 수 있으며, 생체에 재도입되었을 때 접목(接木)될 수 있다'는 최고의 증거를 제시했다"라고 하버드 의대에서 HSCs의 증식을 연구하는 조지 데일리(줄기세포생물학)는 말했다. "이번 논문에는 인상적인 데이터가 많다"라고 그는 덧붙였다.

"그 정도로 증식했다면, 임상에서 엄청난 영향을 미칠 수 있다"라고 알버트 아인슈타인 의대의 폴 프레넷(혈액학)은 말했다.

마법의 물질

HSCs를 실험실에서 대량으로 배양할 수 있는 방법을 찾는 연구자들은 성장인자(growth factor)를 사용하려고 노력해 봤지만, 큰 성공을 거두지 못했다. 그러나 나카우치는 'HSCs가 생존하지 못하는 이유는 배양액(즉, 알부민이라는 인간혈액단백질) 속의 불순물 때문'이라는 사실을 발견했다. "그 불순물들 중 대부분은 면역계가 분비하는 단백질인데, 그것들이 HSCs의 성장을 멈춘다. 그 불순물들 때문에 얼마나 많은 비용·시간·노력이 허비되어 왔는지 모른다"라고 나카우치는 말했다.

알부민을 대체할 수 있는 폴리머들을 조사한 결과, 나카우치는 폴리비닐알코올(PVA: polyvinyl alcohol)이라는 합성화합물이 재주를 부린다는 사실을 발견했다. PVA는 접착제에 종종 사용되지만, 배아와 배아줄기세포를 배양하는 데도 사용되어 왔다. "PVA를 구하기는 참 쉽다. 세이프웨이(Safeway)에 가서 접착제를 구입하면 된다"라고 나카우치는 말했다. "그러나 PVA의 실험실용 버전은 슈퍼마켓에서 구입한 것보다 성능이 우수하다. 그리고 PVA는 정제 코팅에 사용되는 만큼, 규제당국으로부터 독성이 없는 것으로 인정받고 있다."

캐나다 밴쿠버 소재 테리 폭스 연구소(Terry Fox Laboratory)에서 줄기세포와 암을 연구하는 코니 이브스 등의 연구자들도 PVA를 시도해 보려고 벼르고 있지만, "인간세포에 사용해도 된다고 장담할 수 없다"며 주저해 왔다.

나카우치의 발견은 HSCs의 또 다른 원천 - 유도만능줄기세포(iPS 세포)에 대한 주의를 환기시킬 수 있다. 2017년 데일리는 인간의 피부세포를 역분화시켜 iPS 세포로 만든 다음, 혈액줄기세포와 매우 근사한 세포로 분화시킨 적이 있었다(참고 2). 「iPS 세포를 이용하여 HSCs를 만드는 방법」이 「공여자의 골수세포를 이식하는 방법」보다 유리한 점은, 환자 자신의 세포로부터 만들어지기 때문에 유전형이 일치하는 공여자를 찾을 필요가 없다는 것이다. 그러나 데일리는 실험실에서 HSCs를 대량으로 배양하기 위해 안간힘을 써왔는데, 나카우치의 방법이 상황을 반전시킬 수 있을 것으로 보인다. "만약 우리의 방법이 인간의 세포에 적용될 수 있다면 매우 유용할 것이다"라고 나카우치는 말했다.

조건화(conditioning)를 회피하라

또한, 나카우치가 이끄는 연구팀은 "면역계를 파괴하거나 억제하는 과정, 즉 조건화(conditioning)를 거치지 않고서도 생쥐에게 공여자의 HSCs를 이식할 수 있다"는 사실을 증명했다.

겸상적혈구빈혈증과 같은 유전적 혈액장애가 있는 사람들의 경우, 간혹 공여자로부터 골수이식을 받는다. 그런데 설사 형제자매일지라도 유전형이 일치하지 않기 때문에, 환자는 먼저 조건화를 통해 자신의 신체로 하여금 공여세포를 거부하지 않도록 만들어야 한다. 그러나 조건화는 공여자의 HSCs가 숙주의 조직을 공격할 위험을 증가시켜, 치명적인 이식편대숙주병(graft-versus-host disease)을 초래할 수 있다. 설상가상으로 조건화는 생식능력을 떨어뜨리고 어린이의 성장을 저해할 수 있다.

"'초고용량(mega dose)의 HSCs를 이식함으로써 조건화의 필요성을 감소시킨다'는 아이디어는 매력적이다. 그러나 먼저 생쥐, 다음으로 인간을 대상으로 한 후속연구를 통해 검증될 필요가 있다"라고 이탈리아 산 라파엘레 병원(San Raffaele Hospital)에서 HSCs를 이용한 유전자치료를 연구하는 루이지 날디니는 말했다.

만약 나카우치의 기법이 인간세포에도 적용될 수 있다면, 연구자들은 환자에게서 HSCs를 추출한 다음, 환자에게 재도입하기 전에 유전자편집 도구를 이용하여 질병초래 변이(disease-causing mutation)를 치료할 수도 있을 것이다. "환자 자신에게서 추출한 세포의 가장 큰 장점은, 유전형이 일치하므로 조건화가 불필요하다는 것이다"라고 나카우치는 말했다.

연구의 하이라이트(출처: 東京大學; 참고 3)

1. 혈청알부민을 사용하지 않은 PVA 배양액은 생쥐 조혈모세포의 증식을 효율적으로 유도한다. A, B) 혈청알부민을 대체할 수 있는 화학물질을 탐색한 결과, PVA가 알부민과 마찬가지로 조혈모세포의 세포분열을 유도하는 것으로 나타났다. B) 50 개에서 증식한 조혈모세포 및 조혈전구세포.
혈청알부민을 사용하지 않은 PVA 배양액은 생쥐 조혈모세포의 증식을 효율적으로 유도한다

2. 마우스의 골수에서 조혈모세포 하나를 추출하여 1 개월 동안 배양한 후 증식한 조혈모세포를 여러 마리의 생쥐들에게 이식한 결과, 모든 생쥐에서 조혈모세포의 골수가 재구성된 것으로 확인되었다.
마우스의 골수에서 조혈모세포 하나를 추출하여 1 개월 동안 배양한 후 증식한 조혈모세포를 여러 마리의 생쥐들에게 이식한 결과, 모든 생쥐에서 조혈모세포의 골수가 재구성된 것으로 확인되었다

3. 생쥐의 골수에서 조혈모세포를 50개 추출한 후, PVA를 이용해 배양하여 대량으로 증식한 조혈모세포를 면역결핍(T 세포와 B 세포가 결핍된) 마우스에 투여하니, T 세포와 B 세포가 조기(早期)에 분화하여 면역결핍 증상이 완치되었다.
생쥐의 골수에서 조혈모세포를 50개 추출한 후, PVA를 이용해 배양하여 대량으로 증식한 조혈모세포를 면역결핍(T 세포와 B 세포가 결핍된) 마우스에 투여하니, T 세포와 B 세포가 조기(早期)에 분화하여 면역결핍 증상이 완치되었다

 


※ 참고문헌
1. Wilkinson, A. C. et al. Nature (2019); https://doi.org/10.1038/s41586-019-1244-x
2. Sugimura, R. et al. Nature 545, 432–438 (2017); https://doi.org/10.1038%2Fnature22370
3. http://www.ims.u-tokyo.ac.jp/imsut/files/190530nature.pdf

※ 출처: Nature https://www.nature.com/articles/d41586-019-01690-w


출처 : 브릭