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  2. 2010.03.08 다시 뜨는 줄기세포 완전 정리!
2012 노벨의학상이 선정한 유도만능줄기세포란?

2012년 노벨생리의학상은 최근 세계 생명공학계의 가장 중요한 화두 중 하나인 ‘줄기세포’와 관련된 연구 성과에 돌아갔다.

우리 몸의 조직은 사용하면서 마모되거나 손상을 입는다. 때문에 이를 보충하기 위해 세포분열을 통해 새로운 조직 세포가 끊임없이 만들어진다. 하지만 사고나 질병 등으로 손상이 심각한 경우 조직세포의 세포분열만으로는 완전한 복구가 어렵다. 특히 신경세포처럼 재생이 어려운 세포들은 손상된 부분을 복구하는 것이 거의 불가능하다.

이런 문제를 해결해 줄 수 있는 방법으로 주목받는 것이 줄기세포다. 줄기세포는 특정 기능을 수행하는 세포로 분화하기 전단계의 세포, 미분화 세포를 말한다. 다른 세포와는 달리 세포의 운명이 결정되지 않은 상태이기 때문에 우리 몸을 구성하는 210여 가지 세포로 분화할 수 있다. 또한 스스로 복제할 수 있으며 정맥으로 투여했을 때 손상 부위로 스스로 찾아가는 능력이 있다.

줄기세포를 대량으로 만들어서 환자에게 이식할 수 있다면? 환자의 자연치유력만으로 복구가 불가능한 손상을 치료할 수 있고, 적절히 사용한다면 뇌성마비나 척추 손상으로 인한 하반신 마비와 같은 영구적 장애도 치료가 가능해질 수 있다. 한마디로 줄기세포는 난치병 치료와 파괴된 기관 복구에 획기적으로 기여할 수 있는 것이다.

이런 점 때문에 줄기세포 연구는 10여 년 전부터 여러 나라에서 진행돼 왔다. 그렇다면 이번 노벨상을 수상한 줄기세포 연구는 기존 연구와 어떤 차이점이 있어서 선정된 걸까. 노벨상위원회는 영국 케임브리지대 존 거든 교수와 일본 교토대 야마나카 신야 교수를 생리의학상 수상자로 선정하며 이미 성숙하고 분화된 세포를 미성숙한 세포로 역분화해 다시 모든 조직으로 발전시킬 수 있다는 사실을 발견한 공로라며 수상 이유를 밝혔다.

거든 교수는 이미 1962년 개구리 난세포의 핵을 소장 세포에서 얻은 핵으로 대체하는 데 성공하면서 핵 이식과 복제 분야의 개척자로 인정받았고, 야마나카 교수는 2006년 생쥐의 피부세포에 특정 유전자를 삽입해 어떤 세포로도 분화할 수 있는 ‘유도만능줄기세포(iPS, induced Pluripotent Stem Cell)’를 처음으로 만들었다.

iPS세포는 기존 배아줄기세포 연구에 가장 큰 걸림돌이 됐던 문제, 즉 수정란에서 발생하고 있는 배아를 파괴해야만 얻을 수 있다는 윤리적인 문제를 한 번에 해결해 줬다는 점에서 큰 의미를 갖는다. iPS는 사람의 수정란이나 난자 대신, 피부세포에 유전자 변형을 가해 배아줄기세포와 비슷한 분화 특성을 갖는 줄기세포를 뽑아내는 방식으로 만들어지기 때문이다. 물론 iPS가 환자의 치료에 실질적으로 쓰이기 위해서는 아직 해결해야 할 과제가 많지만, 노벨상을 수상할 만큼의 가치가 있는 기술이다. iPS가 기존 줄기세포 연구와 다른 점은 무엇일까.

줄기세포는 새로운 세포가 만들어지는 곳이라면 어디서든 볼 수 있다. 피가 만들어지는 뼈의 골수, 마모된 융털 세포를 생성하는 소장벽과 위벽, 정자와 난자가 탄생하는 생식선이 대표적인 곳이다. 여기에는 기관을 이루는 조직의 세포로 발달할 수 있는 줄기세포들이 있어 주변의 어떠한 세포가 손상되더라도 빠르게 복구할 수 있다. 이러한 세포들을 성장이 끝난 성체에서 볼 수 있는 줄기세포라고 해 성체줄기세포(adult stem cell)라 한다.

하지만 성체줄기세포들은 특정한 조직의 세포로만 분화할 수 있다는 것이 문제다. 예컨대 골수에서 혈액 속의 혈구를 만들어내는 줄기세포들은 신경세포나 근육세포로 분화하지 못한다. 마찬가지로 장벽의 세포들도 융털을 이루는 상피세포로 발달할 수는 있지만 혈구를 만들어내지 못한다.

반면 수정이 완료된 배아에 있는 배아줄기세포(embryonic stem cell)는 몸을 이루는 모든 조직의 세포로 분화할 수 있다. 하나의 배아로부터 태아를 이루는 모든 세포가 발달하기 때문이다. 배아줄기세포는 어떤 조직으로도 분화할 수 있기 때문에 줄기세포 연구 초창기 많은 주목을 받았다. 줄기세포치료의 장점을 고스란히 활용할 수 있기 때문이다. 하지만 여성의 난자를 채취해서 인공적으로 수정시킨 후 배아를 파괴해야 하기 때문에 본격적인 연구와 활용을 위해서는 생명 윤리와 관련된 논란을 먼저 해결해야 한다.

적용범위가 좁다는 약점이 있음에도 성체줄기세포에 대한 관심이 높은 이유는 윤리적 제약이 적고 임상 적용이 쉽기 때문이다. 때문에 다양한 연구가 이루어지고 있으며 실제 치료에도 성공적으로 적용되고 있다. 국내에서는 난치병으로 은퇴했던 경주마 ‘백광’에게 줄기세포 치료를 해 경마계에 성공적으로 복귀시킨 사례가 유명하다.

<줄기세포기술의 종류와 장단점>

종 류 장 점 단 점
체세포복제
배아줄기세포
·이식거부반응 없음
·이론상 환자맞춤형 이식 가능
·황우석 박사가 시도했던 방법
·아직 성공사례 없음
·난자가 대량으로 필요해 윤리문제 발생
·인간복제 가능
수정란
배아줄기세포
·다양한 세포로 분화 가능
·다양한 연구성과 축적
·줄기세포 은행을 만들면 면역거부 반응 어느 정도 해결 가능
·수정란 사용으로 생명윤리문제 상존
·면역거부반응
·암이 발생할 수 있어 현재 임상 적용 불가능
유도만능
줄기세포
·수정란을 사용하지 않아 윤리적 문제 없음
·다양한 세포로 분화 가능
·암이 발생할 수 있어 임상적용 어려움
·분화과정에서 조기 노화가 나타나 분화 및 증식능력 제한
성체줄기세포 ·수정란줄기세포 다음으로 연구 활발
·다양한 연구 성과 축적
·면역거부반응 없음
·안전성 입증돼 임상적용 중
·배아줄기세포에 비해 분화성능 낮으나 최근 다분화능이 입증
·채취 부위에 따라 줄기세포 능력 제한

어찌됐든 줄기세포 연구의 목적은 안전하게 의료용으로 사용할 수 있는 줄기세포를 얻는 것이다. 기존 배아줄기세포의 윤리적인 문제를 해결할 대안으로 떠오르는 것이 바로 iPS세포다. 윤리적인 논란을 피하면서도 체세포에서 배아줄기세포처럼 만능인 줄기세포를 얻을 수 있기 때문이다. 그러니 앞으로 줄기세포 연구방향도 iPS세포로 모아질 것이다. 윤리적 논란과 의학적 이용 가능성 문제를 다 해결할 수 있으니 남은 건 ‘얼마나 효율적으로, 얼마나 안전한 줄기세포를 얻을 것인가’일 것이다.

글 : 김택원 과학칼럼니스트
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#1. 2009년 12월 영국의 BBC는 줄기세포 치료를 받고 시력을 회복한 8명의 이야기를 방송했다. 화학약품이 잘못 들어가 한 쪽 눈의 각막이 손상된 턴불 씨가 대표 사례다. 영국 북동잉글랜드줄기세포연구소(NESCI)의 프렌시스코 피구에이레도 박사팀은 턴불 씨의 정상 눈에서 줄기세포를 추출해 배양했다. 이 줄기세포는 시력을 잃은 눈에 이식됐고 턴불 씨의 한 쪽 눈은 다시 세상을 볼 수 있게 됐다.

#2. 2010년 1월 건국대 수의대 김휘율 교수팀은 척수가 마비된 개를 사람의 탯줄혈액(제대혈) 줄기세포로 치료하는데 성공했다. 연구팀은 사람의 제대혈에서 뽑아낸 줄기세포를 대량으로 배양해 척수가 마비된 개의 손상된 척수 부위에 주사했다. 이렇게 치료를 받은 개는 80% 이상 운동 기능이 회복됐다. 물론 인위적으로 개의 척수를 손상시킨 뒤 실험한 사례라 사람의 척수손상과는 차이가 있지만 줄기세포로 인간의 척수치료를 치료할 가능성을 조금 높인 셈이다.

현재 전 세계적으로 성체줄기세포를 이용한 임상시험은 수백 건이 넘는다. 국내에도 뇌와 척수 손상, 심근경색, 신경계 질환을 앓는 환자를 대상으로 줄기세포 치료 임상시험이 수십 건씩 진행되고 있다. 상업 임상시험에 들어간 건도 11건에 이른다. 물론 아직 임상적 효과가 증명된 줄기세포는 거의 없고, 진행중인 임상시험이 모두 상업화로 간다는 보장도 없다. 하지만 최근 줄기세포에 관한 소식을 들으며 ‘꿈의 치료제’의 실현 가능성이 조금씩 보이는 느낌이다.


<인간의 신경 줄기세포의 모습. 사진제공 동아일보>

줄기세포(Stem Cell)는 죽지 않고 끝없이 반복해 분열하는 ‘불사조’다. 끊임없이 혈구와 피부가 만들어지고 상처 난 신체가 스스로 회복되는 것도 줄기세포 덕분이다. 만약 줄기세포가 ‘세포공장’으로서 제 구실을 하지 않는다면 생명체도 더 이상 살아갈 수 없을 것이다. 그런데 모든 장기가 이런 줄기세포를 갖고 있지는 않다. 뇌신경, 심장근육, 췌장, 척수 등은 한 번 파괴되면 더 이상 재생이 불가능하다. 교통사고로 척수를 손상당하면 평생 일어설 수 없고, 알츠하이머로 뇌가 손상되면 영영 기억을 잃어버리게 된다.

손상된 장기에 인위적으로 줄기세포를 넣어주는 것이 바로 ‘꿈의 치료법’이라 불리는 줄기세포 치료다. 그렇게 되면 뇌신경이나 췌장, 척수 등이 재생될 수 있어 총 210개에 달하는 우리 몸의 기관과 장기가 다시 만들어지고, 파킨슨병과 각종 암, 당뇨병, 척수 손상까지 치료할 수 있다. 이 때문에 생명과학계와 의료계에서 줄기세포에 열광한다.

이런 줄기세포는 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 수정란이 처음으로 분열할 때 형성되는 ‘만능줄기세포(배아줄기세포)’와 성숙한 조직과 기관 속에 들어 있는 ‘성체줄기세포’, 다 자란 세포를 원시상태로 되돌린 ‘유도만능줄기세포’가 그것이다.

배아줄기세포는 1998년 11월 미국의 톰슨과 기어하트 연구팀이 사람의 배아줄기세포와 배아생식세포의 배양을 최초로 성공시키면서 시작된 연구다. 배아줄기세포는 비교적 추출하기 쉽고 시험관에서 오랫동안 미분화 상태로 유지된다는 장점이 있다.

2003년 12월 마리아생명공학연구소의 박세필 박사팀은 인간 배아줄기세포로 쥐의 파킨슨병 치료에 성공했고, 황우석 박사도 척수를 다친 개를 치료하는 데 성공했다. 배아줄기세포는 환자 본인의 체세포를 난자에 이식해 면역거부 문제가 전혀 없는 맞춤줄기세포를 만들 수 있다는 데 기대를 모은다. 그러나 여전히 ‘한 생명을 구하기 위해 생명이 될 가능성이 있는 배아를 파괴해야 한다’는 생명윤리 문제를 극복해야 하는 과제를 안고 있다.


<바이오벤처기업의 한 연구원이 현미경으로 지방줄기세포로 만든 지방세포를 관찰하고 있다. 최근 성체줄기세포로 만든 치료제가 활발하게 임상 시험을 거치고 있어 1~2년 안에 의약품으로 나올 것으로 보인다. 사진제공 알앤엘바이오>

반면 성체줄기세포 연구는 40년 이상 되는 비교적 긴 역사를 가지고 있다. 1961년 틸(Till)과 맥클로흐(Mculloch)는 골수를 만드는 줄기세포인 조혈모세포에 대해 연구했는데, 이것이 골수이식이라는 방법으로 발전해 전 세계적으로 백혈병 치료 등에 사용되고 있다. 이 성체줄기세포는 다양한 기관으로 분화가 가능하다는 사실이 밝혀지면서 새롭게 관심을 끌었다.

성체줄기세포의 종류 중 하나로 태반과 탯줄에서 얻을 수 있는 제대혈줄기세포 연구도 활발히 진행되고 있다. 제대혈줄기세포는 골수이식의 어려움을 극복하는 방법으로 1990년대부터 연구됐는데, 제대혈에서 조혈모 세포를 뽑아 배양하는 방식은 이미 치료에 활용되고 있다.

성체줄기세포는 윤리적 문제가 없고 세포의 채취가 용이하다. 또 30년 넘게 골수 및 제대혈을 이식한 풍부한 경험이 축적돼 연구 결과가 많다. 하지만 분화나 증식 능력이 떨어지는 단점이 있다.

최근에는 유도만능줄기세포가 미래 세포치료제로 주목받고 있다. 유도만능줄기세포는 배아줄기세포처럼 인체의 다양한 세포로 자랄 수 있으면서도, 기존 배아줄기세포와 달리 난자나 수정란을 파괴하지 않고도 얻을 수 있어 윤리 논란이 없다.

가톨릭대 오일환 교수팀의 연구결과에 따르면 줄기세포에는 크로마틴이 느슨한 상태로 있어 다양한 세포로 자랄 수 있는 능력을 갖추게 된다. 이를 이용해 다 자란 세포의 크로마틴을 풀어주는 과정을 거치면 유도만능줄기세포를 만들 수 있다는 것. 그래서 최근 줄기세포 연구자들은 유도만능줄기세포 연구에 집중하는 추세다.

아직 줄기세포를 실제 치료에 이용하기까지는 검증해야 할 단계가 많다. 최근의 보도가 극소수의 임상건을 갖고 의학적 가능성을 부풀려 발표된 측면도 없지 않다는 이야기다.

하지만 줄기세포 치료가 가진 가능성은 무궁무진하다. 세계 여러 곳에서 윤리적 논란 없이 줄기세포를 이용하려는 연구가 진행중이다. 최근의 보도와 부지런한 연구자들의 활동을 살피면서 줄기세포 치료제의 상용화가 곧 이뤄지지 않을까, 조심스럽게 짐작해본다.

글 : 과학향기 편집부
※ 위 글은 유상연 과학칼럼니스트가 2005년 1월 17일자 과학향기에 기고한 글에서 일부 내용을 발췌했습니다.

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