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허혈성 심장질환은 유병률과 사망율이 매우 높은 질환으로, 이 중 급성 심근경색증은 혈관개통과 심근재형성 억제 및 경색 후 적극적인 약물치료에도 불구하고 상당수가 심부전으로 이행하게 되고, 중증인 경우는 5년 생존률이 50% 정도 밖에 미치지 못한다. 특히 말기 심부전 환자는 심장이식술이나 가교적 치료법인 기계적 좌심실 보조장치 이외에는 완치법이 없는 상태이며, 심장이식술의 경우 공여장기의 부족으로 인한 장기확보의 어려움, 고가의 치료비용에도 불구하고 높은 사망률 등 다양한 문제점을 가지고 있으므로 좀 더 적극적이고 첨단화된 치료법 개발이 시급하다.
줄기세포는 다양한 조직세포로 분화할 수 있고, 손상된 장기의 기능을 근본적으로 재생시킬 수 있으므로, 약물/이식 등의 치료법으로 완치가 불가능한 중증 심장질환 환자들에게 새로운 치료기회를 제공할 수 있다. 그러나 심장재생을 위한 기존 성체 줄기세포 치료제는 제한된 분화 능력과 측분비 효과, 조직의 척박한 미세 환경으로 인한 미약한 호밍 효과와 낮은 체내 생존능으로 인해 치료효능이 떨어진다. 따라서 유효성과 안전성이 검증된 고효율의 줄기세포 주 확보와 줄기세포의 생존률을 개선시킬 수 있는 효율적인 세포전달 기술개발이 절실히 필요하다.
본 Newsletter의 Special Feature 세션에서는, 그동안 수행해 온 줄기세포 연구내용을 중심으로, 효율적인 심장재생을 위한 새로운 전략들을 간략하게 소개하고자 한다.
1) 3D 세포프린팅 기술을 이용한 줄기세포 탑재 심장패치의 적용
본 연구는 돼지의 심장조직에서 유래한 세포외기질을 바이오잉크로 이용하여 심장조직의 미세환경을 구현함으로서, 구조체 내의 줄기세포 생존 및 생착률을 증가시키고 경색부위로의 세포전달 효율을 높였다. 또한 3D 세포프린팅 기술을 이용하여 두 가지 이상의 세포를 조직학적 구조와 유사하게 패턴화 함으로서 세포-세포 간 상호작용을 활성화시켜 기능성 조직을 형성하는데 크게 기여할 수 있도록 설계하였다. 특히 세포성분으로서 심근생성을 위한 심장전구세포와 혈관생성을 위한 중간엽 줄기세포를 직접 프린팅 함으로서 심장재생효과를 극대화 하였다.
이러한 3D 세포프린팅 기술을 이용한 줄기세포 탑재 심장패치의 개발은 기존에 시도된 온도 감응성 세포시트와 달리, 패치 내 혈관화가 가능하도록 다양한 성장인자를 봉입하여 다량의 줄기세포를 안전하게 탑재할 수 있을 뿐만 아니라, 장기간 세포배양 과정없이 신속하게 제작할 수 있으므로 기존 줄기세포 치료의 한계점을 극복할 수 있는 차세대 줄기세포 치료제 플랫폼으로 활용될 수 있을 것으로 보인다 (Biomaterials 2017;112:264-74).
그림 1. 3D 세포프린팅 기술을 이용한 줄기세포 탑재 심장패치의 적용
2) 기능강화 엔지니어링 중간엽 줄기세포를 이용한 측분비 효과 극대화 전략
중간엽 줄기세포는 다양한 측분비 능력을 보유하고 있으나, 혈관이나 심근세포로 직접 분화할 수 있는 능력이 제한적이기 때문에, 단독으로 사용하기에는 충분한 심기능 호전을 기대할 수 없다. 최근에서는 중간엽 줄기세포의 미미한 심장재생 능력을 항진시키기 위해서, 1) 유전자 조작기술, 2) 다양한 약물 혹은 사이토카인과의 전처치, 3) 혈관내피세포나 심장전구세포와의 공배양을 통한 자극 등 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 중간엽 줄기세포에서 HGF를 과발현하는 엔지니어링 줄기세포를 생산하고, 이를 골수유래 중간엽 줄기세포와 공배양 시켜 측분비 효과를 극대화 시키는 전략을 수립하였다. 또한 방사선 조사를 통해 세포증식은 억제하면서 HGF 발현은 지속될 수 있도록 설계하여 Off the shelf 개념으로 임상적용이 가능하도록 설계하였다.
결론적으로 HGF 발현 엔지니어링 줄기세포는 혈관형성능력 뿐만 아니라 심근세포 보호능력까지 갖추고 있으며, 이와 공배양 되는 골수유래 중간엽 줄기세포는 기존 세포 대비 탁월한 생존능과 항진된 혈관형성능력을 보이며 심기능 호전에 중요한 역할을 하였다. 또한 탈세포화된 심장유래 세포외기질 플랫폼은 Collagen, Elastin, Glycosaminoglycan 등 심장 특이적 성분과 구조가 그대로 보존된 생체재료로서, 심장조직과 유사한 미세환경을 제공하여 세포의 생존률을 높이고, 장기간 많은 양의 세포를 체내에 잔존시킬 수 있으므로 조직재생의 효율을 높일 수 있다. 이러한 골수유래 중간엽 줄기세포와 HGF 발현 엔지니어링 줄기세포가 탑재한 3D 심장패치는 유효성 뿐만 아니라 안전성 측면에서도 기존 단일 줄기세포 치료제의 한계성을 극복할 수 있는 매우 효과적이고 임상적용이 가능한 유용한 방법이다. (Science Advances 2020 in press).
그림 2. 기능강화 엔지니어링 중간엽 줄기세포를 이용한 측분비 효과 극대화 전략
3) 유도만능줄기세포 유래 심근세포와 중간엽 줄기세포 탑재 심장패치의 병용투여법 개발
유도만능줄기세포 유래 심근세포는 심근재생효과를 극대화 할 수 있는 최적의 세포주로서 손상받은 경색부위에 이식하면 대조군 대비 심장기능이 더욱 호전됨이 증명되었다. 그러나 경색부위의 척박한 미세환경이 이식된 심근세포의 생존 및 생착률을 낮게 하므로, 효율적인 심장재생을 위해서는 심근뿐 만 아니라 혈관을 동시에 재생시키는 치료전략이 필요하다.
본 연구에서는 심근경색 동물모델에서 1) 심장유래 세포외기질을 이용하여 골수유래 중간엽 줄기세포가 탑재된 3D 심장패치를 제작하여 심외막에 이식하고, 2) 유도만능줄기세포 유래 심근세포를 경색부위 심근 내 직접 주입하는 병용투여법을 개발하여 심기능 호전을 확인하였다. 즉 심장패치에서 분비되는 다양한 성장인자가 손상된 심근조직의 허혈, 염증, 섬유화 등 척박한 미세환경을 호전시키고 신생혈관생성에 도움이 되며, 심근 내 직접 주입한 유도만능줄기세포 유래 심근세포는 심근세포로 성숙되고 주변 조직과의 유기적 결합을 통해 심기능 호전에 중요한 역할을 하였음을 규명하였다.
이는 기존의 줄기세포 치료제 개발에 있어, 가장 큰 난제로 여겨졌던 이식한 세포의 낮은 생존률과 손상된 심근 및 혈관의 신속한 재생효과에 대한 문제점을 성상이 다른 2종의 줄기세포와 조직적합성 세포외기질을 이용한 심장패치 제작기술로 한계점을 극복했다는 점에서 큰 의미가 있다 (Nature Communications 2019;112:264-74).
그림 3. 유도만능줄기세포 유래 심근세포와 중간엽 줄기세포 탑재 심장패치의 병용투여법 개발
앞에서 성체 줄기세포의 기능을 강화하기 위해 소개된 유전자 조작기술, 3D 세포프린팅 기술 및 유도만능줄기세포의 병용 적용은 아직 임상에 적용하기에는 상당한 시간과 노력이 필요할 것으로 생각된다. 그러나 첨단 과학기술의 발전으로 3세대 크리스퍼 유전자가위 기술이 상용화되었고, 나노급 초정밀 3D 바이오프린팅 기술이 개발되었다. 최근에는 일본 오사카대 연구진이 1억개의 유도만능줄기세포 유래 심근세포로 구성된 0.1mm 두께의 세포시트를 중증 심부전 환자에게 이식하는 데 성공하였다. 이러한 추세라면 이들의 주장대로 5년 내에 심장을 효율적으로 재생시킬 수 있는 새로운 줄기세포 치료제가 탄생할 수도 있을 것이다.
