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Stem Cell and Tissue Engineering

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줄기세포 연구

인체는 약 210 종류, 약 60 조개의 세포로 이루어져 있다. 세포가 모여 조직을 이루고 조직이 모여 장기가 형성된다. 각각의 세포는 고유의 기능을 하며 생명활동을 가능하게 한다. 그러나 세포는 수명이 있기 때문에 끊임없이 죽고 새로운 세포로 채워지는 과정이 반복된다. 줄기세포는 인체에 존재하는 모든 세포의 기원이 되는 세포로서, 새로운 세포를 만들어간다. 즉, 인체의 여러 조직의 세포로 분화할 수 있는 다분화 가능한 세포를 줄기세포라 칭한다.

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줄기세포는 크게 배아줄기세포와 성체줄기세포로 나뉠 수 있다. 배아줄기세포는 인간의 정자와 난자의 수정으로 생성된 수정란(배반포) 에서 유래된 줄기세포이다. 성체줄기세포는 인간의 여러 장기 및 기관에 존재하고 있는 줄기세포를 지칭한다. 본 연구실에서는 윤리적 논란의 대상이고 기술이 비교적 개발되지 않은 배아줄기세포보다는 현재 임상 치료에 윤리적 논란의 대상이고 기술이 비교적 개발되지 않은 배아줄기세포보다는 현재 임상 치료에 가장 근접해있고 윤리적 논란과 무관한 성체줄기세포를 주로 연구하고 있다. 줄기세포는 여러 가지 난치병 치료에 이용될 수 있는데, 현재 본 연구실은 심근경색을 비롯한 허혈성 질환, 퇴행성 관절염, 뼈 관련 질환의 새로운 치료술을 개발하기 위해 줄기세포를 연구하고 있다.

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본 연구실에서 사용하는 성체줄기세포는주로 골수, 지방, 혈액 등에서 분리해서 연구에 사용한다. 골수 유래 줄기세포는 뼈, 지방, 연골, 근육, 혈관, 심근 등의 세포로 분화될 수 있다. 지방 유래와 혈액 유래 줄기세포도 비슷한 양상의 분화능을 가지고 있다.

본 연구실은 이미 줄기세포의 뼈, 혈관, 심근, 콩팥, 지방 등의 세포로 분화기술을 개발하였으며, 이렇게 분화된 세포를 이용하여 상기 조직을 재생하는 연구를 하고 있다. 이러한기술은 정형외과, 신경외과, 치과에서 필요한 뼈 재생, 심근경색 치료를 위한 심근 재생, 허혈성 질환 치료, 신부전 치료, 가슴 성형, 얼굴 주름치료 등에 응용될 수 있다. 본 연구실은 줄기세포가 특정세포로 분화하는 것을 제어하기 위해서 줄기세포와 여러 가지 신호의 상호작용을 연구한다. 이 때 신호는 줄기세포의 증식, 사멸, 분화에 중요한 역할을 하는 성장인자 신호와 줄기세포의 특정 세포부착인자에 부착된 후 발생되는신호이다. 때로는 기계적 자극이 줄기세포의 특정 세포로 분화를 촉진시키기도 한다.

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1) 심근 재생을 위한 줄기세포 연구

심근 경색은 심장에 있는 관상동맥이 여러 원인을 통해 막히게 되어 주변 심근조직에 괴사가 일어나 사망에 까지 이르는 병이다. 급성환자의 경우 갑자기 사망에 이를 수도 있다. 작년에 인기가수 거북이의 멤버 터틀맨이 수면중에 심근경색을 일으켜 사망하였다. 만성환자의 경우에도 수술을 받았다 하더라도 재발확률이 높은 무서운 질병이다. 심근 경색의 치료를 위해 본 연구실에서는 줄기세포와 성장인자의 전달을 통한 치료 효과를 연구하고 있다.

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심근 재생을 위한 성체줄기세포로서 골수, 지방, 제대혈에서 분리한 중간엽 줄기세포를 사용할 수 있다. 이 줄기세포를 체외에서 약 2-4 주 동안 배양하여 심근세포롤 분화시킨 후이식하면 심근 재생 효율을 향상시킬 수 있다. 그러나, 이러한 방법을 임상에 적용시키기에는 문제가 있는데, 급히 치료받아야하는 심근경색 환자가 세포분화 배양을 위해 약 2-4 주 동안 기다릴 수 없다는 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 본 연구실에서는 “줄기세포의 in situ 분화”라고 하는 방법을 연구하고 있다. 즉, 심근경색 환자로부터 분리한 줄기세포를 체외분화 배양없이 바로 환자의 심장에 이식하되, 이식된 줄기세포가 심장에서 바로 심근세포로 분화될 수 있도록 약물전달 기술을 이용하여 심근 분화인자를 국소적으로 전달하는 것이다. 이 방법이 성공적으로 개발된다면 심근경색 환자들을 응급으로 치료할 수 있는 줄기세포 치료제가 탄생될 수 있을 것이다. 본 연구를 동물에서 실험하기 위해서 심근경색 동물모델이 필요하다. 주로 쥐를 사용하는데, 쥐의 심장에 있는 관상동맥을 실로 묶어서 심근 부위에 산소와 영양소 공급을 차단하여 심근경색을 일으킨다. 그 후 줄기세포를 심근경색 부위에 주사기를 통해 주입한다. 줄기세포에 형광물질로 꼬리표를 단 후에 이식하면, 나중에 심근조직을 적출하고 절편하여 현미경으로 조사할 때 이식된 줄기세포의 심근분화 여부와 심근재생에참여여부를 조사할 수 있다.

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2) 연골 재생을 위한 줄기세포 연구

연골은 신체의 충격을 흡수하여 관절을 보호하는 조직이다. 연골의 두께는 수 밀리미터에 불과하지만, 독특한 성분과 구조로 이루어져 있다. 이러한 연골 조직은 혈관과 신경이 없으며, 스스로 재생이 잘 되지 않는다는 특징을 가지고 있다. 따라서, 질병 및 사고에 의해 연골이 손상받게 되면 거의 회복되지 않으며, 관절염으로 발전하게 된다. 또한 인구의 고령화 추세로 인해 고령화 인구의 60% 이상이 퇴행성 관절염을 앓고 있는 것으로 알려져 있다.

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환자의 연골에서 추출된 연골세포를 체외에서 대량 배양하여 손상된 연골부위에 이식하여 연골을 재생하는 “자가연골세포이식술”이 개발되었다. 1994 년 Brittberg 라고 하는 정형외과 의사가 이 방법을 사용하여 여러 환자를 치료한 임상논문을 발표한 후 세계적으로 이 방법이 시행되고 있다. 이 방법을 구체적으로 살펴보면, 관절경을 통하여 체중 부하를 받지 않는 관절 연골부위에서 연골조직을 채취한 후, 연골세포를 분리하여 체외에서 약 1 개월 동안 대량 배양한다. 그 후 손상된 연골부위를 골막으로 봉합하고, 배양된 연골세포를 골막사 이로 연골손상 부위에 주사하는 방법이다. 미국과 우리 나라의 회사들이 이 기술을 상품화하여 골관절염 환자치료에 사용하고 있다. 그러나, 이 치료방법은 연골조직 적출과 세포이식을 하는 두 번의 수술이 시행되어야 한다는 것과 환자가 연골세포 배양기간인 1 개월 동안 기다려야한다는 단점이 있다.

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본 연구실에서는 이러한 “자가연골세포이식술”의 단점을 보완하기 위해 줄기세포를 이용하는 방법을 연구하고 있다. 좀 더 치료를 간편하게 하기 위해서 줄기세포를 환자 몸 밖으로 채취하지 않고, 환자의 몸에 내재하는 줄기세포를 연골 손상부위로 이동시킨 후, 그 부위에서 연골세포로 분화시켜 연골조직을 재생시키는 원리이다. 본 연구실에서 수행한 토끼동물실험에서 이 방법을 이용하여 연골을 성공적으로 재생하였다. 돼지와 같은 대동물실험과 전임상 시험, 임상시험을 거쳐서 이 치료기술이 임상에 적용될 수 있게 되면 퇴행성 관절염 환자가 기다리지 않고 간편하게 단 1 번의 수술로 바로 치료받을 수 있는 길이 열릴 것이다.

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3) 허혈성 질환 치료를 위한 줄기세포 연구

심근경색, 뇌경색, 하지허혈, 버거씨 병 등은 혈관이 막혀서 조직이 괴사하는 허혈성 질환이다. 이러한 질환을 줄기세포를 이용하여 치료하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 허혈부위에 이식된 줄기세포는 직접 혈관세포로 분화하여 혈관을 재생하기도 하지만 줄기세포가 혈관형성에 필요한 여러 가지 성장인자들을 분비하여 혈관의 재생을 촉진하기도 한다. 하지만 허혈 부위에 줄기세포를 이식하면 줄기세포의 생존율이 급격히 떨어져서 줄기세포의 치료효능이 떨어지게 된다. 그 원인은 허혈 부위에 혈관 막힘으로 인하여 산소와 영양소 공급이 제한되기 때문이다. 본 연구실에서는 허혈성질환을 줄기세포를 이용하여 효과적으로 치료하기 위하여 줄기세포의 생존율을 높이고 성장인자 분비능을 극대화시키는 방법을 연구하고 있다. 그 방법으로 줄기세포를 이식하는 장소에 세포사를 억제시키는 단백질약물을 함께 국소적으로 전달하거나 줄기세포를 허혈환경에서 미리 배양하여 훈련시킨 다음 이식하는 것이다.

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실제로 마우스 하지허혈 동물실험에서, 저산소 상태에서 세포의 생존율 문제를 해결하기 위해 본 연구실에서는 혈관세포 성장을 촉진시키고 세포사 억제 효과가 있는 FGF2(Fibroblast Growth Factor 2)를 줄기세포 이식 위치에 지속적으로 전달시켜 주었다. 이로 인해 허혈부위에 이식된 줄기세포의 생존율이 증가함과 동시에 줄기세포로부터 혈관생성을 촉진시키는 성장인자의 분비가 크게 향상되어 혈관 생성이 크게 촉진되었다. 치료를 하지 않거나 줄기세포만 이식한 그룹의 마우스는 결국 허혈성 다리가 괴사하여 떨어져 나가게 되나 FGF-2 와 줄기세포로 함께 치료된 그룹의마우스는 다리가 보존되었다.

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