^*혈관줄기세포(Vascular Progenitor Cells): 정확한 명칭은 혈관‘전구’세포. 전구세포는 줄기세포(stem)처럼 다른 세포로 분화되지만, 분화할 수 있는 세포의 종류가 특정돼 있다.

^*직접교차분화(Direct conversion, Trans- differentiation): 다 자란 특정 조직의 세포를 다른 조직의 세포가 될 수 있는 줄기세포로 직접 바꾸는 방식이다. 이 기술을 쓰면 피부 세포를 혈관 세포로 바로 바꿀 수 있다. 배아줄기세포나 유도만능 줄기세포처럼 모든 세포가 될 수 있는 시기(만능세포)를 거치지 않아서 발암 가능성을 줄일 수 있다. 참고로 줄기세포는 어떤 조직으로도 발달할 수 있는 세포를 뜻한다.

^*유도만능줄기세포(Induced pluripotent stem cells): 이미 분화된 세포의 ‘시간을 되감기’하는 역분화 기술을 이용해 만든 줄기세포. 피부세포나 간세포 등과 같이 특정 기능이 ‘프로그래밍’ 되는 세포를 ‘리프로그래밍’해 배아줄기세포와 같은 상태로 만든다. 2012년 노벨 생리의학상의 주제였다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

현재 인류는 뇌혈관 및 심장혈관에 문제가 생기는 ‘혈관 질환’으로 고통받고 있으며 그로 인한 사망자 비율도 상당히 높다. 이러한 혈관 질환을 고치는 치료제로 혈관을 재생할 수 있는 ‘세포 치료제’가 대두됐다. 특히 혈관을 구성하는 ‘혈관내피세포’와 ‘평활근세포’로 분화가 가능하며 지속적인 자가증식능력이 있는 ‘혈관줄기세포’1)가 혈관 질환의 세포 치료제로써 가능성이 크다는 게 확인됐다.

이러한 혈관줄기세포는 배아줄기세포2)나 유도만능줄기세포3)를 분화해 얻을 수 있지만, 이 과정으로 만들어진 혈관줄기세포는 암을 유발할 위험성을 내포하고 있다. 줄기세포 분화과정에서 미분화된 채 남아 있던 만능줄기세포가 체내에 주입되면서 암세포로 변할 수 있기 때문이다.

2. 연구내용

상기한 문제를 해결하고자 본 연구에서는 발암 가능성이 없는 ‘직접교차분화’4) 기법을 이용했다. 직접교차분화 방식은 한 세포를 다른 특성을 갖는 세포로 변환할 때, ‘만능상태(pluripotent state)’와 같은 중간 상태를 거치지 않는다. 대신 특정 유전자의 과발현을 유도하거나 그러한 유전자 발현을 조절할 수 있는 화학 물질을 처리해 성체세포를 줄기세포로 직접 전환하도록 하는 기법이다.

연구팀은 혈관 발생 초기에 높게 발현하는 두 개의 유전자, ‘Etv2’와 ‘Fli1’을 섬유아세포에 주입해 혈관줄기세포를 만들었다. 피부에서 분리한 섬유아세포에 Etv2와 Fli1가 인코딩된 렌티바이러스(Lentivirus)5)를 감염시키고, 감염 후 세포 변화를 관찰해 감염된 세포 중 증식이 활발한 혈관줄기세포를 분리했다. 이를 혈관세포 마커 (CD144)로 다시 정제하는 과정을 거쳤다.

만들어진 혈관줄기세포의 특성을 규명하기 위해 혈관줄기세포에서 발현하는 유전자 분석을 진행했으며, 계속적인 세포 증식에도 혈관줄기세포의 성격을 유지하는 자가증식능력(self-renew)6)을 확인했다.

혈관줄기세포는 혈관구성세포인 혈관내피세포와 평활근세포로 분화됐는데, 확인결과 각각의 세포에서 특이적으로 발현하는 단백질과 유전자를 볼 수 있었다. 혈관줄기세포는 세포 배양 접시에서 혈관 구조를 잘 형성했으며, 아세틸콜린 유사체 처리를 통해 만들어진 평활근세포가 근육세포로써 수축 기능을 갖는지 검증했다.

만들어진 혈관줄기세포를 세포 치료제로 적용 가능한지 가늠하기 위한 동물실험도 거쳤다. 뒷다리에 ‘허혈성 혈관 질환’7)을 갖는 쥐에 혈관줄기세포를 주입한 결과 혈관이 폐색된 부위의 혈류 흐름이 회복됐으며, 해당 부위에 혈관줄기세포로 이뤄진 혈관이 되살아났다.

3. 기대효과

본 연구는 Etv2와 Fli1이라는 유전자를 이용해 직접교차분화라는 기법으로 줄기세포의 특성을 갖는 혈관줄기세포를 만들 수 있다는 것을 증명했다. 이로써 조직공학에서 3D 조직을 프린팅할 때 모든 조직에 존재하는 혈관을 만들 주원료로 사용할 수 있고, 혈관 질환 세포 치료제를 개발하는 새로운 방향을 제시할 수 있음을 보여준다. 외과적 수술과 더불어 혈관줄기세포 치료를 병행하는 것은 혈관 질환의 본질적인 해결책이 될 것으로 기대해 본다.

[붙임] 용어설명

1. 혈관줄기세포(Vascular Progenitor Cell)

혈관을 이루는 혈관내피세포(endothelial cells)와 혈관내피세포를 감싸며 혈관수축에 관여하는 평활근세포(smooth muscle cell)로 분화가 가능한 세포다. 줄기세포와 같이 자가증식능력을 가져 세포 치료제에서 요구되는 많은 세포 수를 획득할 수 있는 이점이 있다.

2. 배아줄기세포 (Embryonic Stem Cell)

배아로부터 얻은 줄기세포로, 인체의 각종 장기(organ)의 세포로 분화할 수 있다. 생명이 될 가능성이 가진 배아(embryo)를 파괴하기 때문에 윤리적 문제가 있다.

3. 유도만능줄기세포 (Induced Pluripotent Stem Cell )

이미 특정 기능을 갖는 세포(성체세포)를 이용해 만든 만능줄기세포(모든 세포로 다 분화가 가능한 세포)이다. 특정한 전사 인자 유전자를 성체의 체세포에서 발현시켜 세포의 시간을 거꾸로 돌리는 리프로그래밍(reprogramming)을 통해 만든다. 

4. 직접교차분화

만능상태(pluripotent state) 같은 중간 과정 없이 특정 유전자의 과발현을 유도하거나, 그러한 유전자 발현을 조절할 수 있는 화학 물질을 처리함으로써 바로 전환되도록 하는 기법이다. 이 기법을 통해 뇌신경세포, 간세포, 이자세포, 심장근육세포 외 다양한 세포들을 피부세포로부터 만들어낼 수 있었다. 

5. 렌티바이러스(Lentivirus)

RNA 바이러스인 레트로바이러스(Retrovirus)의 일종으로, 호스트의 핵으로 이동해 Genomic DNA에 삽입돼 유전자를 발현시켜 Virus particle을 만든다. 아데노바이러스, 레트로바이러스와 함께 Vector로써 Knock out 유전자 발현 등에 이용된다.

6. 자가증식능력(Self-renew)

자신과 동일한 형태와 능력을 가진 세포로 증식하는 능력. 세포를 치료목적으로 사용하기 위해선 세포의 대량생산이 가능해야 하는데, 이때 세포가 자기 특성을 계속 유지하면서 증식하는 것이 중요하다.

7. 허혈성 질환

신체 내 특정 조직으로 혈류를 공급하는 혈관이 막히거나 기능을 상실하는 혈류 장로 해당 조직에 영양분, 산소 공급 및 노폐물을 배출이 원활치 못한 질환이다. 해당 조직이 제 기능을 못 하고, 심하면 괴사한다. 협심증, 심근경색증 및 허혈성 뇌졸중이 대표적이다.

[붙임] 그림설명

그림1. 혈관줄기세포 제작과 동물실험에서 치료 효과 검증.

위: 섬유아세포에 Etv2와 Fli1의 주입하는 직접교차분화을 통해 혈관줄기세포을 만들었다.

중간: 혈관줄기세포는 자가증식능력을 가지며, 혈관을 구성하는 혈관내피세포와 평활근세포로 분화가 가능했다.

아래: 이를 뒷다리에 허혈성 질환을 갖는 실험용 쥐에 주입 시 혈관이 재생되고 혈류가 회복됐다.

그림2. 혈관줄기세포의 특성 규명 및 동물실험에서 혈류 흐름 개선 효과.

(A) 만들어진 혈관줄기세포를 면역형광기법으로 분석한 결과 혈관세포 및 평활근세포 마커인 CD144와 a-SMA를 발현하는 세포들을 확인할 수 있었다.

(B) 혈관줄기세포에서 분화된 혈관내피세포가 혈관 구조체를 형성하는 것을 세포 배양 접시에서 확인했다.

(C) 쥐의 뒷다리에 혈관줄기세포(iVPCs)를 주입한 뒤 후 시간에 따른 혈류의 흐름을 측정한 결과. 대조군으로 생리식염수(HBSS)를 주입한 경우보다 혈류의 흐름이 개선됨을 알 수 있다.

(D) (C)에서 측정한 정보를 수치로 나타냈다. 14일 이후부터 생리식염수 또는 혈관줄기세포 주입한 그룹 간에 유의한 차이가 발생했다.