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  • 기사등록 2021-05-20 08:24:33
  • 수정 2021-05-20 08:25:26
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[특별기고 - 이병천 서울대 수의과대학 교수]

1회: 시크리톰 이용한 다양한 연구
2회: 시크리톰 역할과 획기적 치료 효과
3회: 폐 심근세포 시신경 등 재생, 항염증 기능 확인

MSC에서 분비된 개별 생체 활성인자가 손상된 표적 세포나 조직에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 구체적으로 밝혀진다면 세포가 포함되지 않은 시크리톰만을 투여하는 무세포치료법이 환자에 더 쉽게 적용될 수 있다. MSC 시크리톰은 25년 이상 활발하게 연구되어 왔지만 가능성이 높은 예비 결과에도 불구하고, MSC 시크리톰 기반 치료제는 미국 식품의약국(FDA)이 임상에 사용 승인을 하지 않았다. 시크리톰 성분을 일정하게 제시하지 못했기 때문이며, 일반적으로 개별 기증자, 조직 출처, 배양 조건 및 세포 계대 횟수에 따라 그 조성이 크게 다르기에 이를 표준화 하는 것은 쉽지 않다. 

이 논문에서는 (i) MSC 시크리톰의 성분을 명확히 하는 방법을 찾고, (ii) MSC에서 분비된 분자물질이 치료적으로 가치가 있는지 밝히며, (iii) MSC의 배양조건을 달리하여 원하는 분자물질이 분비되게 하는 방법을 알아내기 위해, 코넬 수의과대학 연구팀은 중대동물 MSC 연구에서 얻은 정보를 활용하여 사람에 적용하는 중계의학적 관점에서 접근했다(그림 2). 

이러한 연구와 정보를 통해 여러 동물종에서 사람과 유사한 양상의 질병 상태일 때 MSC 시크리톰의 치료 효과는 중계의학적 모델로서 가치가 있음을 제시했다.

본 논문에서는 이제까지 인간 연구에 많이 활용한 인간 MSC와 설치류 MSC에서 분비하는 인자들도 간략하게 소개했다. 그리고 MSC 분비 인자의 치료적 편익을 최적화하기 위해 인간 또는 설치류 MSC를 실험실에서 유전자 변환을 통해 알아본 결과도 제시했다. 또한 우리는 잘 활용되지는 않았지만 인간의 중계의학 모델로 생리학적 기능이 유사한 동물에서 분리된 MSC 시크리톰에 대해 알아본다.

인간과 설치류 유래(MSCs)의 시크리톰
사람 MSC의 시크리톰은 다양한 체내에서 다양한 역할을 한다. MSC에서 분비된 인자들이 사람의 특정 표적 세포에 어떠한 영향을 하는지 또는 설치류 모델로 특정 질병에 미치는 영향에 대한 여러 연구가 있었다. 대부분은 시크리톰이나 세포외 소포체의 영향을 연구했다. 세포외 소포체로서 MSC 시크리톰은 일반적인 약물치료에서는 약물이 침투하기 어려운 체내 생리학적 장벽을 통과할 수 있다는 장점이 있다. 이를 활용하면 망막이나 중추신경계(CNS)와 같이 약물침투 장벽이 있는 부위의 질병 치료에 획기적인 방법이 될 것이다. 

이전의 여러 연구에서 어떤 MSC 분비인자가 우리가 목표로 하는 세포나 조직에 영향을 미치는 지를 특정하지 못했다. 이는 시크리톰의 복합성 분비물 내 어떤 인자가 생물학적 반응을 일으키는지를 정확하게 판단하기가 쉽지 않다는 것을 보여주는 것이다. 

실제로 마우스와 랫트의 MSC를 기반으로 하여 사람 질병에 적용하기 위한 연구가 많이 행해졌는데 이는 다른 중대동물실험 보다 비용이 적게들고 이미 이들을 통한 많은 연구결과가 있었기 때문이다. 인간 연구와 마찬가지로, 특정 물질의 효과를 보기 보다는 시크리톰 전체에 대한 효과를 보는 연구가 주로 이루어져 왔다.

그림 2. 인간 질병의 중계의학 모델로서 중대동물의 질병을 예시하고 있다. 소동물(개와 고양이)과 대동물(돼지 및 말)은 인간의 질병과 유사한 질병이 발생하는데 신경, 심장, 폐, 근골격계, 신경외과, 위장관계, 피부병, 감염성 및 암등이 포함된다. 신체 크기는 그리 중요하지 않다. 약어설명; IBD, inflammatory bowel disease; CKD, chronic kidney disease; COPD, chronic obstructive pulmonary disease (출처; Front Cell Dev Biol. 2021; 9: 654885. Published online 2021 Mar 19)

세포배양 후 시크리톰 생산...치료제로 규격화 가능
인간 MSC 시크리톰을 구성하는 생물학적 활성 인자들의 개별 기능을 알아내어 MSC 세포의 유전자 조절을 통해 치료 상 중요한 활성인자들을 일관되게 분비하게 하다면 MSC 시크리톰을 활용한 획기적 치료법이 될 것이다. 또한 임상에 적용하기 위한 한 가지 방법으로 세포 한 개로 시작하는 배양(single cell culture)을 통해 많은 세포를 배양 후 여기에서 시크리톰을 생산한다면 좀 더 시크리톰을 치료제로서 규격화 할 수 있고, 또한 목적하는 물질을 분비하는 치료제로서 도움이 될 것이다. 즉, 세포 한 개에서 배양된 같은 특성을 지닌 세포집단에서 분비하는 시크리톰이기에 성분이 일정할 수 있다. 

현재까지 인간 MSC 한 개의 세포유래 시크리톰의 분석에서도 좋은 결과를 볼 수 있었다. 고해상도 정밀 단백질체학(proteomics)의 최신 기술은 현재 암 세포 이질성을 평가하는데 주로 사용되고 있지만 MSC에 적용하면 높은 분비능력을 지닌 세포를 정제 분리할 수 있을 것이다. MSC에서 분비되는 분자물질을 동정하고, 기능적 특성을 알아내는 것은 임상에 적용하기 위해서 필요한 사항이다. 

시크리톰을 임상에 활용하기 위해서는 다음 두 가지 측면을 생각해야만 한다. 첫째, 최대의 치료적 편익을 위해 생체 활성 MSC 분비 인자의 고농도 집합조절(compilation)이 필요한가? 둘째, 치료하려는 조직에 MSC 시크리톰을 전달하기 위해 어떤 새로운 방법이 선택될 수 있는가? 이다.

유전자 조절한 MSC 시크리톰의 장단점
MSC에 프라이밍 또는 유전자 변형을 통하여 가치 있는 분자를 많이 생산하거나 이러한 분자를 생산 조절된 집합체를 사용하는 것이 목적하는 개별 인자를 주입하는 것보다 치료 효과가 더 클 수 있다. 한 연구에서 말 PB-MSC(말초혈액유래 줄기세포) 시크리톰에 들어있는 특정 단백질들이 조직재생과 관련된 세포학적 기능이 있다는 것을 밝혔지만, 시크리톰이 체외 및 체내에서 상처치유에 미치는 효과를 완전히 설명하지는 못했다. 

일반적으로 조직치유의 촉진 및/또는 면역조절 위한 MSC 시크리톰의 효능을 입증하는 연구는 시크리톰 전체에 대한 효과는 입증하였으나 어떤 특정 인자가 치유에 관여하는지를 정확하게 설명하지 못했다. 기능이 알려진 MSC 분비 인자들의 집합체를 만들어 사용하는 가장 큰 이유는 시크리톰이 무수한 생체활성 핵산, 단백질 및 지질로 구성되어 있으며, 함량이 서로 달라서  다른 수준의 표적 세포 및 조직과 상호작용할 가능성을 가지고 있기 때문이다. 

결과적으로, MSC 분비 생물활성인자의 집합체를 사용하는 것은 최대 효과를 얻기 위해 활성인자들간에 네트워크에서 서로간의 역할을 할 수 있기 때문이다. 말 PB-MSC의 시크리톰의 연구에서 재생 특성을 가진 단백질과 항균 특성을 가진 단백질을 분리했다. 이러한 특성이 규명된 인자를 개별적으로 사용하는 것은 상처 치유를 촉진하거나 박테리아 감염과 싸우는 데 치료적으로 유용할 수 있다. 다만 이들이 포함된 시크리톰 전체를 사용하면 감염 상처의 세균을 줄이는 동시에 급성 손상과 병원균으로 인한 조직 손상을 회복하는 치료법을 활용할 수 있다. 

이러한 이점은 무세포 MSC 요법의 한 형태로 널리 연구되고 있고, MSC의 EV가 핵산, 특히 small regulatory RNA, 단백질, 지질을 포함한 인자들로 이루어져 있기에 효과적일 것이다. EV에 싸여있는 분비 인자는 자유롭게 떠있는 분비 인자에 비해 안정성이 높으며 표면 리간드/수용체의 상호작용, 세포막 부착, EV의 세포내로 침투 등을 통해 목적 세포에 전달될 가능성이 높다. EV는 세포간의 신호전달은 물론 조직 재생에도 관여하는 것으로 알려져 있으며, EV는 RNA, 단백질, 지질 등으로 구성되어 있으며, 이는 세포에서 분비되어 몸속을 자유롭게 이동하는 물질과는 구별된다. EV에서 조절되는 것으로 알려진 miRNA 중에는 혈관을 새롭게 만드는데 관여하는 것도 있다. 

MSC가 분비하는 생체 활성 인자를 집합하여 투여 하였을 때 얻을 수 있는 중요한 치료적 이점이 있지만, 이 접근법에는 몇 가지 단점이 있다. 여기서 계속 얘기한 바와 같이 유념할 사항은, 제공자, 어느 조직 유래인지, 배양 방법 및 MSC 배양 기간 등이 있으며, 이러한 조건 차이에 따른 MSC 시크리톰의 성상이 다양하여 치료 효과가 다를 수 있다. 이러한 다양한 양상의 시크리톰 보다 일관된 효과 내는 시크리톰을 찾기 위해 유전자 변형 MSC를 이용하는 것도 하나의 방법이다(그림 3). 

그림 3. 시험관에서 중간엽기질세포(MSC)에서 분비되는 시크리톰 성상을 변화시킬 수 있다. 단백질이나 miRNA와 같이 원하는 분자물질의 분비를 증가시키기 위해 MSC는 프라이밍이나 유전자 변형을 시킨다. 프라이밍(priming)은 아래와 같이 특정 물질을 처리하거나 배양방법을 달리해서 원하는 물질의 분비를 유도하는 것으로서 네 가지 주요 처리 방식은 (i) 약리학적/화학 물질의 첨가, (ii) 사이토토카인 처리, (iii) 3D 배양/바이오 스케폴더 배양, (iv) 저산소 조건에서 배양이다. 유전자 변형(genetic engineering)은 특정 단백질이나 miRNA를 발현 또는 과발현 시키기 위해 목적하는 RNA 또는 DNA 를 줄기세포 안으로 전이시킨다. 이러한 방법으로 바이러스 또는 바이러스 벡터에 의한 전이, 또는 다양한 생물학적/화학적인/물리적 접근을 통한 전이 등을이 있다. 위 그림에 나오는 용어를 설명하면, DMOG, dimethyloxalylglycine; LPS, lipopolysaccharides; PPS, pentosan polysulfate; IL, interleukin; IFN, interferon; TNF, tumor necrosis factor; 3D, 3-dimensional; O2, oxygen. 이다 (출처; Front Cell Dev Biol. 2021; 9: 654885. Published online 2021 Mar 19)

보다 일관된 MSC 분비물을 만들기 위한 다른 전략으로는 (i) MSC 기증자의 연령, 성별 및 건강 상태에 대한 고려, (ii) 특정 조직 유래 MSC의 사용, (iii) MSC 배양 조건을 일정하게 확립 (iv) MSC가 배양에서 유지되는 기간을 일정하게 하는 것이다. 실제로 MSC 시크리톰 기반 의약품 개발 분야의 전문가들은 구체적 효력이 있는 시크리톰을 일관되게 MSC 에서 생산하는 것이 무세포치료가 성공할 수 있는 즉, 실험실에서 임상적용까지 이어지는데 필요한 첫 단계라고 말한다. (3회에서 계속)

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