혈관병 고치고, 3D 바이오 프린팅에 쓸 ‘혈관줄기세포’

뇌혈관이나 심혈관에 생긴 질환을 고칠 ‘혈관줄기세포’가 개발됐다. 대량으로 배양하면서도 암 유발 가능성이 적은 ‘직접교차분화’ 방식으로 제작했으며, 심장이나 간 같은 생체조직을 3D 프린터로 찍어낼 때 필요한 ‘혈관’의 주원료도 될 수도 있다.

UNIST(총장 이용훈) 생명과학부의 김정범 교수팀은 피부세포에 혈관발달 유전자 두 종을 주입해 혈관줄기세포를 제작하는 데 성공했다. 이 세포를 뒷다리 혈관이 막힌 실험쥐에 주입하자, 혈류 흐름이 회복되고 새로운 혈관이 만들어졌다. 혈관 질환의 세포 치료제로서의 가능성이 확인된 것이다.

혈관이 손상되거나 막히면 조직으로 전해지는 산소와 양분전달이 부족해 ‘허혈성 혈관 질환’이 생긴다. 그 치료법으로 혈관 구성 세포를 주입해 혈관을 새로 만들고 혈액 흐름을 개선하는 세포치료가 주목받아 왔다. 특히 혈관줄기세포는 2종의 혈관 구성 세포로 분화할 수 있고 일반 세포와 달리 자가증식이 가능해 대량생산에 적합하므로 유력한 세포치료제 후보였다. 하지만 배아줄기세포나 유도만능줄기세포에서 분화된 혈관줄기세포는 임상에 적용하기 어려웠다. 모든 세포로 분화 가능하다는 ‘만능성’이 오히려 암을 유발할 위험을 품고 있기 때문이다.

그림1. 혈관줄기세포 제작과 동물실험에서 치료 효과 검증

이 문제를 해결하기 위해 김정범 교수팀은 ‘만능 분화 단계’를 건너뛰고 특정 세포를 원하는 세포로 바로 바꾸는 ‘직접교차분화’ 기법을 이용해 혈관줄기세포를 만들었다. 피부를 구성하는 섬유아세포에 두 가지 유전자(Etv2, Flil)를 주입해 혈관줄기세포로 탈바꿈한 것이다.

제1저자인 박수용 UNIST 생명과학과 석・박사통합과정 연구원은 “두 유전자는 혈관발달 초기에 주로 발현되는 유전자”라며 “두 유전자를 피부 섬유아세포에 주입하자 혈관줄기세포의 특성이 잘 나타나는 세포가 만들어졌다”고 설명했다.

그림2. 혈관줄기세포의 특성 규명 및 동물실험에서 혈류 흐름 개선 효과

줄기세포는 끊임없이 자기를 복제하는 자가증식능력(Self-renewal)과 다른 세포로 변하는 분화능력(Biopotent)을 가진다. 이번에 만들어진 혈관줄기세포는 자가증식이 가능한 데다, 혈관 구성 세포인 혈관내피세포와 평활근세포로 잘 분화됐다. 또 실험 쥐를 이용한 동물실험에서도 혈관 폐색 부위에 주입한 뒤 혈류 흐름이 회복되고 혈관이 형성되는 것까지 확인됐다.

김정범 교수는 “배아줄기세포나 유도만능줄기세포에 비해 부작용을 최소화할 수 있는 기법으로 혈관줄기세포를 만들어 임상 적용이 가능할 것”이라며 “뇌혈관이나 심혈관에 생긴 질환을 치료할 세포 치료제를 상용화하는 데 한 걸음 다가갔다”고 전망했다.

이번에 개발한 혈관줄기세포는 3D 바이오 프린팅의 발전에도 도움을 줄 수 있다. 생체조직을 만드는 3D 바이오 프린팅에서는 조직별 세포뿐 아니라 혈관까지 함께 만들어야 하기 때문이다. 김 교수는 “새로운 혈관줄기세포는 조직공학에서 3D 조직을 프린팅할 때 모든 조직에 존재하는 혈관을 만들 주원료로 사용할 수 있다”고 이 기술의 또 다른 가능성도 전했다.

이번 연구는 중소벤처기업부의 지원을 받아 김정범 교수의 창업기업인 ‘슈파인세라퓨틱스’와 공동으로 진행했다. 관련 내용은 혈관 생물학 분야의 국제학술지인 ‘동맥경화, 혈전증 및 혈관 생물학(Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology)’ 온라인판에 3월 25일자로 발표됐다.