심장은 고대부터 가장 중요한 장기로 여겨졌으며, 우리 몸 구석구석으로 혈액을 공급하는 중요한 기관이다. 그러나 다른 장기와 달리 한번 손상되면 재생이 안 되기 때문에 기존 약물과 시술은 한계가 있다.

지난 20년간 전 세계 과학자들이 고전을 면치 못했던 심장의 줄기세포, 유전자 치료가 국내 연구진에 의해서 가시화되고 있다.

이번 연구결과를 이용한 세포치료법의 전략 모식도. 배아줄기세포로부터 특정세포로의 분화를 유도하는 연구에서 가장 큰 문제점은 원하는 세포로의 분화 효율이 낮다는 것이다. 배아 발생 과정에서 심근세포는 심근 줄기세포로부터 생겨난다. 지금까지 많은 연구자들은 역분화 만능줄기세포로부터 특정 표지자를 이용해 고효율의 순도 높은 세포를 얻기 위한 연구를 활발히 진행하고 있다. 그렇지만, 대표적인 심근세포 표지자는 일시적으로 발현되었다가 없어지거나(대표적으로 Flk1, PdgfR-α), 세포핵(Nkx-2.5) 또는 세포질 (Troponin-T, Myh-6)에 존재하기 때문에, 이를 이용해서 심근줄기세포를 분리하는 것이 불가능했다. 본 연구팀이 발견한 라트로필린-2(Lphn2)는 세포 표면에 존재하고 분화가 진행되는 동안 점차 발현이 증가되기 때문에 유세포 분석법을 통한 순도 높은 심근세포를 세포 손상없이 대량으로 얻을 수 있음. 이는 향후 심혈관계 질환을 위한 줄기세포치료법을 실현화시키는데 핵심 기술로 이용될 것임. 나아가서 심근에 이 유전자를 주입해 심근내의 섬유모세포를 심근세포로 전환시키는 가능성도 본 연구진이 탐색하고 있으며 이를 바탕으로 심근재생 유전자 치료법을 개발할 예정이다.

서울대병원 순환기내과 김효수 교수팀(이춘수 박사, 조현재 교수)은 역분화 만능줄기세포로부터 심근세포를 순수 분리하여 다량으로 얻을 수 있는 방법을 찾았다.

이 연구 성과는 세계 최고의 권위지인 '순환기(Circulation; IF 23.054)' 최근호에 '주목할 만한 논문(Featured article)'으로 선정됐다.

미분화 배아줄기세포(D0), (2)사이토카인 자극 없이 자발적으로 분화 유도된 세포(D4), (3)최적화된 분화 조건 세포(D4), (4)최적화된 분화 조건에서 Flk1/PdgfRα 양성 표지자로 분획된 세포(D4)를 각 단계별로 유세포 분석한 결과, 심근줄기세포의 비율이 유의하게 증가한다. 이렇게 심근세포로 분화하는 과정에서 농축 증가하는 유전자 군을 분석해 라트로필린2 유전자를 발견하게 된다.

연구팀이 특히 주목한 것은 심근줄기세포에서만 발현하는 표지자였다. 연구팀은 역분화 만능줄기세포에서 심근세포로 분화시키는 최적의 세포실험조건을 만들었다.

이 분화 과정에서 마이크로어레이 분석법을 통해서 분화에 따라서 증가하는 유전자들을 탐색한 결과 라트로필린-2이라는 세포표면 표지자가 발견된 것이다.

마우스 배아 발생 단계에서 라트로필린-2(Lphn2)의 발현을 규명하기 위해 유전자 결손 마우스를 제작해 분석한 결과, 형광염색을 통해 alpha-sarcomeric actinin(α-SA)을 발현하는 심장에서만 특이적으로 라트로필린-2 가 발현되는 것을 증명했다. 또한, 대조군과 달리 라트로필린-2가 발현되지 않는 Lphn2 동종-결손 배아에서는 심장 구조에 결함이 있어서 태내 사망하는 것을 확인했다.

라트로필린-2는 특이하게 심근 줄기세포 단계에서 발현된다. 이 유전자를 결손시킨 쥐를 만들어 본 결과, 심장 기형이 초래돼 자궁 안에서 사망했다. 이 표지자의 가치는 만능줄기세포에서 분화를 시키는 과정에서, 라트로필린2 양성세포만을 분리해 증폭시키면, 100% 순수한 심근세포를 대량 얻을 수 있다는 것이다.

김효수 교수<사진>는 “이번에 규명된 라트로필린2 단백질을 이용하면 심근세포로 분화하는 방법을 획기적으로 향상시켜 심근세포 대량 증식이 가능하다”며 “실용화 가치가 높아 심근 재생치료 분야에서 세포-유전자 치료법의 새 지평을 열 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.

김효수 교수.

라트로필린-2의 유전자 서열이 쥐와 인간 사이에 매우 유사하다. 연구팀은 쥐에서 뿐 아니라 사람 심근세포에서도 동일한 기전이 적용됨을 증명하고 두번째 논문을 준비 중이라고 전했다.

연구 결과가 진료 현장에 적용되면 심근경색과 심부전 환자에게 손상된 심근의 기능을 회복할 수 있는 효과적인 치료법이 될 것으로 전망된다.

이번 연구는 보건복지부가 지원하는 세포치료-실용화센터사업단과 연구중심병원 BT(BioTherapeutics) 유닛 프로그램에 참여한 연구진들의 5년여 장기연구의 성과이며, 후속 연구결과들이 발표될 예정이다.

[THE MEDICAL HERALD 에디터 우정헌 의학 전문기자]

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우정헌 기자  medi@mediherald.com