[바이오토픽] iPS 세포는 세상을 어떻게 바꿨나?(Ⅱ) 생명과학 양병찬 (2016-06-20 09:33) 유도만능줄기세포(iPS 세포)는 한때 의학혁명의 전령사로 여겨졌었다. 그러나 iPS 세포가 발견된 지 10년 후, 그것은 의학을 바꾸는 대신 생물학 연구를 바꾸고 있다. A scheme of the generation of induced pluripotent stem (IPS) cells / ? Wikipedia 1. 들어가는 말참고: http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=273153 2. 재생의학 분야의 성과 자신들의 연구결과를 발표한 지 6주 후 출판한 논문에서(참고 1), 야마나카와 타카하시는 성체세포의 역분화(reprogramming)에 관여하는 유전자 4개가 뭔지를 밝혔다. 그것은 Oct3/4, Sox2, Klf4, c-Myc였다. 그후 1년 동안, 야마나카의 연구실을 포함한 세 군데 연구실에서 그 결과를 확인하고 역분화 방법을 개선했다(참고 2, 3, 4). 그로부터 6개월이 채 안 지나, 야마나카와 위스콘신-매디슨 대학교의 제임스 톰슨은 인간의 성체세포를 역분화시키는 데 성공했다(참고 5, 6). 그러자 전세계의 연구실들이 역분화에 폭발적인 관심을 보여(참고 7), 2009년 말까지 iPS 세포에 관한 논문이 약 300편 쏟아져나왔다. 많은 연구실에서는 '어떤 종류의 성체세포가 역분화될 수 있는지', 그리고 '그 결과 탄생한 iPS 세포가 무엇으로 분화할 수 있는지'를 밝히는 데 초점을 맞췄다. 한편 다른 연구실에서는 역분화 레시피를 더욱 개선하려고 노력했다. 처음에는 c-Myc의 필요성을 제거했고(참고 8), 다음에는 유전자를 유전체에 통합시키지 않고서도 전달하는 방법을 제시했다(참고 9). 왜냐하면 c-Myc는 몇몇 세포들을 암성 세포(cancerous cell)로 만들 가능성이 있었고, 유전자를 유전체에 통합시키는 것은 「iPS 세포 기반 치료(iPS-cell-based therapy)」의 안전성에 대한 우려를 초래했기 때문이다. 또 한 가지 커다란 의문은 'iPS 세포가 배아줄기세포와 얼마나 비슷한가?'라는 거였다. 양자(兩者)의 차이가 하나 둘씩 드러나기 시작했다. 과학자들은 iPS 세포가 후성유전학적 기억(epigenetic memory)을 보유하고 있음을 발견했다(참고 10). 후성유전학적 기억이란 '오리지널 성체세포를 반영하는 화학적 표지'를 의미하는데, 전문가들은 그런 변화가 iPS 세포의 의학적 용도에 영향을 미치지 않을 거라고 주장하고 있다. "iPS 세포와 배아줄기세포 사이에는 몇 가지 차이점이 있을 수 있다. 그러나 나는 그런 차이가 실제로는 유의미하지 않을 거라 믿는다"라고 제니시 박사는 말한다. 야마나카가 노벨 생리의학상을 공동 수상한 2012년까지(참고 11), 「iPS 세포 기반 치료법」에 대한 최초의 임상시험이 기획되고 있었다. 야마나카가 역분화 기법에 관한 논문을 처음 발표했을 때, 일본 이화학연구소(리켄) 산하 발생생물학 센터(CDB)의 타카하시 마사요(高橋政代) 박사는 '배아줄기세포를 기반으로 한 망막질환 치료법'을 개발하고 있었다. 그러나 야마나카의 논문이 발표되자 그녀는 재빨리 iPS 세포로 갈아탔고, 결국에는 야마나카와 공동연구를 시작했다. 2013년 타카하시 마사요가 이끄는 연구진은 노인성 황반변성(age-related macular degeneration) 환자 두 명으로부터 피부세포를 채취하여 망막색소상피(RPE: retinal pigment epithelium) 시트를 만들었다. 그리고 얼마 지나지 않아, CDB의 연구진은 STAP이라는 다른 역분화기법를 연구하다가, 비리 의혹이 제기되어 조사를 받았다(참고 12). iPS 세포와는 무관하지만 STAP 스캔들은 타카하시의 연구 진행을 어렵게 만들었다. "그것은 잔잔한 바다에 역풍을 일으켰다"고 그녀는 회고한다. 그럼에도 불구하고 그녀는 연구를 계속 진행했고, 2014년 9월 의사들은 70대 여성 환자의 오른쪽 눈에 RPE 시트를 이식했다. "이식된 RPE 시트는 환자의 황반변성을 중단시켰고, 시력을 개선했다"고 그녀는 말한다. 그러나 임상시험 연구진이 두 번째 임상시험 참가자를 치료할 준비를 하는 동안, 야마나카가 이끄는 연구진은 두 환자의 iPS 세포와 (iPS 세포에서 생성된) RPE 세포에서 작은 유전적 변화를 두 가지 발견했다. 두 가지 돌연변이가 종양형성과 관련되었다는 증거는 없지만, 야마나카는 "안전성 차원에서, 임상시험을 중단하라"고 권고했고, 타카하시는 그 권고를 받아들였다. 타카하시 마사요의 임상시험 중단으로 인해, 그 분야에 관심이 있는 연구자들은 일제히 관망세로 돌아섰다. "세계의 연구자들은 향후 추이를 예의주시하고 있다"라고 UC 데이비스의 폴 크뇌플러 박사(줄기세포생물학)는 말한다. 그러나 영국 옥스퍼드 대학교에서 줄기세포 규제 및 생산을 연구하는 데이비스 브린들리 박사에 의하면, IPS 세포가 임상에 적용되는 과정에서 직면한 어려움은 그다지 이례적인 것은 아니라고 한다. "하나의 과학적 발견이 임상적·상업적으로 받아들여지는 데는 약 20년이 걸리는 게 보통이다. 그러므로 iPS 세포는 대충 그런 경로를 밟고 있다고 볼 수 있다"라고 브린들리 박사는 말한다. 미국의 경우, 아스텔라스 재생의학연구소(Astellas Institute for Regenerative Medicine: 舊 Advanced Cell Technology)의 파이프라인 속에서 여러 건의 「iPS 세포 기반 치료법」이 대기하고 있는데(참고 13), 그중에는 노인성황반변성과 녹내장 치료법이 포함되어 있다고 한다. "어떤 치료법이든, 적절한 세포를 대량으로 생산하고 순도를 높이는 방법을 개발하려면 시간이 필요하다. iPS 세포는 임상에 적용될 치료수단 중에서 가장 복잡하고 역동적이다. 나는 이 세포를 임상에 적용하는 최초의 과학자가 되고 싶지만, 그러기에 앞서서 극도로 신중을 기해야 한다"라고 아스텔라스 재생의학연구소의 최고과학책임자(CSO)를 맡고 있는 로버트 란자 박사는 말한다. 「iPS 세포 기반 치료법」을 개발하는 연구자들이 직면한 커다란 걸림돌 중 하나는, 보건당국의 승인을 받아내는 것이다. 스크립스 연구소의 잔 로링 박사는 2년 후 파킨슨병 치료를 위한 임상시험이 시작되기를 바라고 있지만, 그게 그리 만만하지 않을 것 같다. "파킨슨병을 치료하려면 환자에게서 유래하는 세포를 사용해야 하는데, 나는 각각의 세포주가 미 FDA의 안전성 기준을 충족시키는지를 입증하기 위해, 일련의 복잡한 체크와 타당성 검사를 수행할 계획이다"라고 그녀는 말한다. "그 동안 한 사람을 대상으로 치료법을 개발하고 테스트하면서도, 많은 어려움을 겪었다. 1년이라는 기간이 걸렸고, 100만 달러의 비용이 들었으니 말이다"라고 야마나카는 말한다. 그는 앞으로 환자들마다 건건이 iPS 세포를 만들기보다, 세포은행에 보관된 기증자들의 iPS 세포를 사용하는 방법을 구상하고 있다. 타카하시 마사요는 '세포은행에 보관된 iPS 세포'를 '환자 자신의 iPS 세포'와 비교하여, 면역반응에서 어떤 차이를 보이는지 관찰할 계획이다. 그녀는 황반변성에 대한 임상시험을 재개하기 위해 조만간 일본정부에 임상시험 신청서를 제출할 계획이지만, 구체적인 시간을 묻는 기자의 질문에는 답변하지 않았다. 3. 생명과학 분야의 성과 iPS 세포는 세포요법(cell therapy) 분야에서는 많은 차질을 빚었지만, 다른 분야에서는 활짝 꽃을 피웠다. "iPS 세포를 만드는 방법(참고 14)은 5년 전보다 더 세련되고 우아해졌다"라고 크뇌플러 박사는 말한다. 그러나 대부분의 역분화 기술은 효율이 낮아, 사용된 성체세포 중 일부만이 완전하게 역분화된다. 그리고 모든 세포주들이 그렇듯, iPS 세포는 세포주(strain)마다 다양해서 실험에서 대조군을 확립하기가 어려웠다. (1) CRISPR와의 만남 록펠러 대학교의 마크 테시어-라빈 박사(신경과학)는 뉴욕 줄기세포재단의 동료들과 함께 조발성 알츠하이머병(early-onset Alzheimer's disease)과 전두측두엽 치매(frontotemporal dementia) 환자들의 iPS 세포를 갖고서 연구하기 시작했을 때, 이러한 어려움에 직면했었다. 그들은 "환자의 iPS 세포를 건강한 대조군의 iPS 세포와 비교하는 것이 소용없다"는 사실을 일찌감치 깨달았다. 왜냐하면 세포들이 배양 과정에서 너무 다르게 거동하는 것으로 나타났기 때문인데, 이는 아마도 유전적 배경이나 유전자발현의 차이에서 비롯되는 것으로 보였다. 그래서 그들은 유전자편집으로 눈을 돌렸다. 최근에 인기가 급부상한 CRISPR?Cas9라는 유전자편집 도구 덕분에, 연구자들은 질병관련 돌연변이를 iPS 세포에 도입한 후, 오리지널 미편집 세포(original, unedited cell)와 비교할 수 있게 되었다. 제니시 박사의 연구실에서는 CRISPR?Cas9를 사용하여 iPS 세포를 조작하는 일이 일상화되었다고 한다. "우리는 CRISPR?Cas9를 이용하여, iPS 세포를 원하는 대로 조작할 수 있다"라고 그는 말한다. 새롭고 정교한 유전자편집 방법(참고 15)은 유용성이 매우 높은 것으로 밝혀지고 있다. 예컨대 지난 4월, 테시어-라빈 박사의 연구실에 있는 도미니크 파케와 딜런 크바르트는 CRISPR를 이용하여 iPS 세포에 특정 점돌연변이(point mutation)를 도입하고, 한 쌍의 유전자 중 하나만 편집할 수 있음을 증명했다(참고 16). 이로써, 그들은 알츠하이머 관련 돌연변이의 정확한 조합(組合)을 지닌 세포를 만들어, 그 효과를 연구할 수 있게 되었다. 그러나 iPS 세포는 배아줄기세포와 유사하기 때문에, 치매와 같은 지발성 질환(late-onset disease)을 연구하는 데 이상적인 도구는 아니다. 따라서 연구자들은 세포에 스트레스를 가하거나 단백질을 도입함으로써 세포를 조기(早期)에 노화시키는 방법을 강구하고 있다. "iPS 세포를 이용하여 지발성 질환을 연구하는 문제는 아직 해결되지 않았지만, 많은 접근방법이 있으므로 시도해볼 만하다"라고 테시어-라빈 박사는 말한다. (2) 오가노이드 'iPS가 인간의 초기 발생과정을 흉내낸다'는 사실은 다른 분야에서 유용한 것으로 밝혀졌다. 예컨대, '임신부를 감염시킨 지카 바이러스가 태아의 소두증(microcephaly)을 초래하는지 여부와 그 메커니즘‘을 연구하는 데 도움이 된다. 밍 박사가 이끄는 연구진은 iPS 세포를 이용하여 뇌 오가노이드(brain organoid)를 만들었다. 그런 다음 뇌 오가노이드를 지카 바이러스에 노출시키자, 그것은 새로 형성된 뉴런보다 신경줄기세포(neural stem cell)를 우선적으로 감염시켜, 신경줄기세포의 사망률을 증가시킴과 동시에 피질의 뉴런층 부피를 감소시키는 것으로 밝혀졌다(참고 17). 이는 소두증과 유사한 상태다. 오가노이드란 발생하는 장기와 유사한 3D 조직을 말한다. iPS 세포를 이용하여 미니 위장관이나 미니 간과 같은 오가노이드(참고 18)를 만드는 연구팀들도 있다. 그리하여 iPS를 이용하여 연구할 수 있는 병리현상의 목록이 추가되고 있다. 그중에는 '녹내장에서 하나의 유전자가 중복되어, 신경세포 집락의 파괴를 초래하는 과정(참고 19)', '헌팅톤병과 관련된 유전적·세포적 변화(참고 20)' 등이 포함된다. (3) 신약개발 iPS 세포는 신약개발에도 도움이 된다. 왜냐하면 환자에게서 유래하는 세포를 제공함으로써, 실험약물을 테스트하거나 선별할 수 있기 때문이다. 예컨대 2012년, 가족성 자율신경기능장애(familial dysautonomia) 환자에게서 유래하는 iPS 세포를 이용하여 신경줄기세포를 만든 다음, 이것을 이용하여 약 7,000개의 소분자들을 테스트함으로써 후보약물을 선별한 적이 있다(참고 21). 그리고 올해에 한 연구진은 "유전성 통증장애(inherited pain disorder) 환자에게서 유래하는 iPS 세포를 이용하여 감각뉴런(sensory neuron)을 만들었다"고 보고한 바 있다(참고 22). 연구진은 이 감각뉴런을 이용하여, "나트륨을 차단하는 화합물이 신경의 흥분성(excitability)을 감소시켜 통증을 완화한다"는 결론을 이끌어냈다. "iPS 세포를 이용하여 사람들이 특정 약물에 반응하는지 여부를 예측한다면 얼마나 근사하겠는가?"라고 화이자 신경과학 및 통증연구유닛의 에드워드 스티븐스 박사는 말한다. 스티븐스 박사는 'iPS 세포를 이용한 신약개발'을 연구하고 있는데, 그의 전략이 유효하다는 것을 입증하려면 좀 더 많은 증거가 필요해 보인다. 4. 미완(未完)의 대기(大器) iPS 세포가 발견된 지 10년이 지났지만, 과학자들은 '세포의 역분화가 실제로 일어나는 과정'을 자세히 모르고 있다(참고 23). 현재 이 분야의 연구자들은 유전체와 유전자발현 패턴 등을 검사함으로써, 세포주의 정체성(identity)과 안전성을 체계적으로 검증하는 데 초첨을 맞추고 있다. 올해 3월, 영국 케임브리지에 있는 유럽 유도만능줄기세포 은행(European Bank for Induced Pluripotent Stem Cells)에서는 그러한 노력의 일환으로, 「질병 모델링에 사용할 수 있는 표준화된 iPS 세포 목록 작성」을 공개적으로 런칭했다. 야마나카 박사도 「미래의 치료를 위한 iPS 세포은행」(참고 24)에 관여하고 있으며, 광범위한 인구집단을 대상으로 면역학적으로 호환성이 있는 변종(immunologically compatible)을 수집하는 데 주력하고 있다. iPS 세포가 직면하고 있는 최대의 도전은 '과학적 문제'가 아니다. 세포요법을 추진하는 연구자들에게 절실히 필요한 것은 과학이 아니라, 제약산업과 정부의 강력한 지원이다. iPS 세포를 이용한 신약개발과 질병 모델링을 추구하는 연구자들은 은근과 끈기를 발휘해야 한다. iPS 세포는 신약개발 과정을 단축할 수 있을 뿐, 그것을 생략할 수는 없기 때문이다. "과학기술에 왕도는 없다. iPS 세포든 어떤 새로운 기술이든, 완성되려면 많은 시간이 필요하다"라고 야마나카 박사는 말한다. ※ 참고문헌 1. Takahashi, K. & Yamanaka, S. Cell 126, 663?676 (2006).2. 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