스탠포드 대학에서 ‘뼈줄기세포’를 발견했다는 내용입니다.
(원문)
[요약]미국 스탠퍼드대 연구진이 인간의 뼈, 지방에서 ‘뼈 줄기세포’를 분리해 내는데 성공했다. 뼈 줄기세포는 연골, 뼈, 기질 등으로 분화할 수 있는 만큼 향후 관절염 치료 등에 적용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. (2018.09)
미국 스탠퍼드대 의대 연구진의 10여년 간의 노력이 ‘인간 골격 줄기세포(human skeletal stem cell)’의 발견으로 보상받았다. 인간의 뼈나 지방의 특별한 세포로부터 분리해낸 세포는 새로운 뼈를 만들 수 있는 ‘전구세포’나 뼈 안쪽에 있는 해면질 스트로마(기질), 무릎과 같은 관절을 부드럽고 고통없이 만들어주는 ‘연골’ 등을 만들어낼 수 있다. 이번 발견으로 연구진은 인간 골격 개발과 유지에 중요한 줄기세포 가계도(family tree)를 만들 수 있게 됐다. 또한 사람의 뼈와 연골을 재생시키는 치료법 개발에도 적용될 수 있다.
“매일, 아이들과 어른들은 정상적인 뼈, 연골, 그리고 기질 조직이 필요하다.” 의사인 마이클 롱게이커 성형및재생의학과 교수가 말했다. “예를 들어 관절염을 앓고 있는 7500만명의 미국인이 있다. 지방흡입술로부터 얻은 지방 세포를 손쉽게 줄기세포로 만들어 새로운 연골 생성을 위해 관절에 넣거나 혹은 나이든 사람들의 부러진 뼈에 새로운 뼈가 만들어지도록 넣는 일을 상상해 보라.” 이같은 내용이 담긴 이번 연구 내용은 국제학술지 ‘셀’ 9월 20일자에 게재됐다. 롱게이커와 함께 딘, 루이스 미첼 등 스탠퍼드대의대 및 스탠퍼드 줄기세포및재생의학 연구소 디렉터는 이번 연구의 주저자다. 교신 저자는 찰스 찬 외과 교수이며 의대학생인 구상가 구라티, 라울 신하 등이 참여했다.
뼈 줄기세포는 뼈조직이나 지방, 근육 등을 만드는 ‘간엽성 줄기세포’라 불리는 다른 줄기세포와 구별된다. 간엽성 줄기세포는 혈액이나 골수, 지방에서 분리해 내는데 일부 임상에서는 만능줄기세포로 사용된다. 이들은 여러 실험을 거쳤지만 성공은 제한적이었다. 또한 다양한 조직으로 분화하는 능력이 입증되지 않았다. 최근에 플로리다서 황반변성에 걸린 나이든 환자가 시력 개선을 위해 그들의 지방에서 추출한 간엽성 줄기세포를 눈에 넣는 임상시험을 했는데 시력이 더 나빠지거나 잃는 사건이 발생했다.
“간엽성줄기세포는 느슨하게 특정 지어지며 많은 세포군을 갖고 있다. 각 세포들이 신호에 서로 다른 반응을 할 수 있다.” 찬이 말했다. “이와 대조적으로 우리가 분리해낸 뼈 줄기세포는 진정한, 다 분화능적이며, 자가 복제적이며 조직에 특화된 줄기세포 등의 모든 특징을 보증한다. 이들은 단지 골격 조직으로 분화될 운명으로 제한되어 있는 만큼 임상적으로 훨씬 더 유리하다.”
뼈의 재생은 뼈를 갖고 있는 동물이 진화적으로 살아남기 위해 가장 중요한 기능으로 오랫동안 살아남을 수 있는 능력을 제공한다. 영원류(newts·도룡뇽목 영원과 동물)와 같은 척추동물은 필요하다면 꼬리를 완전히 재생시키는 것이 가능하다. 하지만 쥐나 인간과 같은 다른 동물의 치료 능력은 그냥 보통이다. 비록 인간은 골절상을 꽤 잘 치료하는 능력을 갖고 있지만 나이가 들수록 이 능력 또한 점점 사라진다. 그리고 인간은 노화나 반복적인 사용으로 손상된 연골은 다시 재생시킬 수 없다. 과학자들은 뼈 줄기세포가 임상적으로 손상된 뼈나 연골을 대체할 수 있을지 궁금해했지만 이를 분리해내기가 상당히 어려웠다.
발달 과정에서만 단지 존재하는 배아줄기세포와 달리 성체줄기세포는 손상이나 트라우마로 치료가 필요한 대부분의 모든 주요 조직에서 발견된다. 각각의 성체줄기세포는 엄격한 혈통의 제한이 있다. 즉 이 성체줄기세포는 자연적으로 발생하는 세포의 종류로만 분화될 수 있다. 우리의 골격에 있어서, 이는 이 줄기세포가 뼈나 연골, 기질을 만들 수 있음을 의미한다.
찬과 롱게이커 등 연구진은 쥐의 뼈에서 줄기세포를 분리한 것에서 배운 것을 재빨리 인간에게서도 실험하기를 희망했다. 하지만 이 실험은 연구진이 생각한 것보다 더 어려웠다. 세포를 분리해내기 위해서는 대부분 ‘형광발광’ 기술을 이용한다. 분리해 내려는 세포 표면의 단백질을 활성화시키는 것이다. 종종 서로 다른 종류의 비슷한 세포가 표면에서 표지를 공유하기도 한다. 그러나 인간 뼈 줄기세포는 쥐 세포와 표지를 공유하지 않았다. 대신에 연구진은 쥐 뼈 줄기세포의 유전자 발현 프로파일을 인간 뼈에서 발견되는 몇몇 유전자와 비교했다. 그렇게 함으로써 쥐 뼈 줄기세포와 마찬가지로 같은 단백질을 만들어내는 많은 세포를 분리해내는데 성공했다. 이후 연구진은 인간 세포 표면에 있는 표지를 확인해 순수한 개체군을 분리해 연구할 수 있었다.
“이는 생물정보학 분야의 도전이었다. 여러 연구자가 융합된 커다란 연구팀이 필요했다. 그러나 궁극적으로 찬과 그의 동료들이 우리가 엄청난 능력을 갖고 있다고 느끼는 일련의 표지들을 분리해냈다.” 롱게이커가 말했다. “그리고 나서 이들은 두가지를 증명했다. 이 세포가 스스로 무제한 증식할 수 있는가, 그리고 인간의 뼈를 구성하는 세가지 주요 성분을 만들 수 있는가.”
연구진은 분리해낸 인간 뼈 줄기세포가 자가 증식이 가능할 뿐 아니라 뼈와 연골, 기질을 만들 수 있음을 확인했다. 또한 이 줄기세포는 다 발달한 뼈 뿐만이 아니라 뼈가 부러진 뒤 재생되고 있는 부위에서도 발견됐다. 부상 부위에서 분리해낼 수 있을 뿐 아니라 인간 지방세포를 리프로그래밍하거나 뼈가 되는 역분화줄기세포에서도 생성됐다.
흥미롭게도 뼈 줄기세포는 또한 혈청이 없이도 인간 조혈 줄기세포가 잘 자랄 수 있는 ‘양육환경’을 제공하기도 했다. 골수에 있는 조혈 줄기세포는 혈액과 면역체계에 영향을 미친다. “혈액에서 생성되는 줄기세포는 해면골(spongy bone)의 내부를 좋아한다.” 찬이 말했다. “이들에게는 완벽한 틈새 시장이다. 뼈 줄기세포에서 자란 기질 세포군은 혈청 없이도 조혈 줄기세포를 2주 동안 생존하는데 영향을 미쳤다.”
인간 뼈 줄기세포의 분화 잠재성을 연구하면서 잠재적으로 임상 가능성이 있는 줄기세포의 가계도를 구성할 수 있었다. 인간 뼈 줄기세포와 쥐 뼈 줄기세포의 유사점과 차이점을 연구하는 것은 인간과 쥐의 뼈가 왜 본질적으로 다르게 분화하는지에 대한 비밀을 푸는데 활용될 수 있다. “이제 우리는 인간의 뼈가 쥐 뼈보다 더 밀도가 높은지, 왜 인간의 뼈가 훨씬 더 큰지를 이해할 수 있게 됐다.” 롱게이커가 말했다. 특히 연구진은 인간 뼈 줄기세포는 뼈 형성을 조절하는 ‘Wnt 신호경로’에서 유전자가 활성화됐다. 반면에 쥐 뼈 줄기세포는 그렇지 않았다.
연구진의 궁극적인 목표는 인간 뼈 줄기세포를 임상에 적용하는 것이다. 예를들어 롱게이커는 카메라나 수술 도구를 최소한의 침습적인 방식으로 관절이나 연골 등에 넣어 치료하는 ‘관절경 검사’를 할 때 분화시킨 뼈 줄기세포를 함께 넣는 방식을 생각하고 있다. “나는 수십년 내에 그렇게 하길 바란다. 이 세포는 관절경 검사와 재생의학 분야의 게임 체인저가 될 것이다.” 롱게이커가 말했다. “미국은 고령 인구가 급격히 증가하고 있고 매년 200만명이 관절을 교체해야 한다. 만약 우리가 이 줄기세포를 상대적으로 비침습적인 치료에 사용할 수 있다면 우리 꿈은 실현될 것이다.”