September 25,2018

피부 세포로 만든 기능성 근육조직 탄생

세포 치료와 신약 개발, 희귀병 치료에 도움

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피부세포를 유도 만능줄기세포(ips)로 되돌려 처음으로 인체 골격근육을 성장시키는데 성공했다.

미국 듀크대 생의학 공학자들은 2015년 생체조직검사에서 얻은 근육 모세포로부터 인체 근육세포 생성에 처음 성공한 이래 이번에 줄기세포를 이용한 근육 성장 실험에서 개가를 올린 것.

근육이 아닌 조직을 이용해 세포를 키울 수 있는 능력을 확보하면 훨씬 많은 근육세포를 키울 수 있어 유전체 편집과 세포 치료를 한층 용이하게 할 수 있다. 또 희귀 근육병 치료용 신약 개발과 이 질병들의 기초 생물학 연구에 필요한 개별 맞춤형 모델 개발이 가능하다. 관련 동영상.

이번 연구는 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications) 9일자 온라인판에 발표됐다.

네내드 버르삭(Nenad Bursac) 듀크대 생의학 공학 교수는 “근육세포가 아닌 다능성(만능) 줄기세포는 우리 몸의 모든 세포가 될 수 있고, 근원 전구(progenitor) 세포를 무한정 키워낼 수 있다”며, “이들 전구 세포들은 이론적으로 단일세포에서 전체 근육을 성장시킬 수 있는 ‘위성 세포’라 불리는 성체 근육 줄기세포와 유사하다”고 설명했다.

유도 만능 줄기세포에서 성장한 근육 섬유 단면도. 녹색은 근육 세포, 파란색은 세포핵, 빨간색은 세포를 둘러싼 지지 매트릭스다. Credit: Pratt School of Engineering, Duke Univ.

유도 만능 줄기세포에서 성장한 근육 섬유 단면도. 녹색은 근육 세포, 파란색은 세포핵, 빨간색은 세포를 둘러싼 지지 매트릭스다. Credit: Pratt School of Engineering, Duke Univ.

2015년 연구 토대로 골격근 배양 성공

이전 연구에서 버르삭 교수팀은 근육 생검에서 얻은 작은 근아세포(myoblast, 근육 모세포) 표본을 줄기세포 단계를 넘어서까지 키웠지만 성숙한 근섬유로 성장시키지는 못 했었다. 연구팀은 이 근아세포들을 여러 번 접어서 성장시킨 다음 영양분이 채워진 3차원 비계 구조에 집어넣어 정렬된 기능성 인체 근섬유로 자라도록 했다.

이번의 새로운 연구에서 버르삭 교수팀은 근아세포 대신 유도 만능줄기세포에서 시작했다. 이 줄기세포들은 피부나 혈액 같은 근육이 아닌 조직에서 얻은 세포들로, 원시상태로 되돌아가도록 다시 프로그램됐다. 이 만능 줄기세포들은 세포에게 근육으로 성장하도록 신호를 보내는 Pax7이라는 분자들이 가득 찬 곳에서 성장했다.

세포가 증식함에 따라 완전히 똑같지는 않지만 성체 근육 줄기세포와 유사하게 되었다. 이전의 연구도 이 단계까지 왔었지만 이후 누구도 이 중급단계 세포들을 기능성 골격근으로 성장시키지 못 했었다.

연구팀은 이전의 시도가 실패한 지점에서 성공을 거뒀다.

논문 제1저자인 링준 라오(Lingjun Rao) 박사후 과정 연구원은 “수년 간의 시행착오를 거쳐 걸음마단계로부터 시작한 끝에 마침내 만능 줄기세포로부터 기능성 인체 근육을 만들어냈다”며, “이번 연구에서 다른 점은 독특한 세포배양 조건과 3차원 배지로서, 일반적으로 많이 사용되는 2차원 배양법보다 세포들을 훨씬 빨리 그리고 오랫동안 자라게 할 수 있다”고 밝혔다.

미국 듀크대 생의학 공학자들은 피부세포를 줄기세포로 되돌려 처음으로 인체의 기능성 근육조직을 만드는데 성공했다. 관련 동영상. Credit: Pratt School of Engineering, Duke Univ.

미국 듀크대 생의학 공학자들은 피부세포를 줄기세포로 되돌려 처음으로 인체의 기능성 근육조직을 만드는데 성공했다. 관련 동영상. Credit: Pratt School of Engineering, Duke Univ.

혈관 형성되며 고유 조직과 통합, 3주 이상 생존

일단 세포들이 근육이 되기 위한 길로 잘 접어들자 버르삭 교수와 라오 박사는 Pax7 신호 분자 공급을 멈추고 세포가 완전히 성숙하는데 필요한 영양 공급과 지원을 시작했다.

2~4주에 걸쳐 3차원 배양을 통해 자라난 근육세포들은 근섬유를 형성해 전기신호나 생화학 신호 같은 외부 자극에 수축하고 반응하는 모습을 보였다. 이는 인체의 근육조직에 신경신호가 입력되고 그에 반응하는 것과 유사했다.

이렇게 새로 성장시킨 근섬유를 성체 쥐에 이식하자 이 근섬유들은 혈관 형성을 통해 서서히 고유 조직과 통합되면서 적어도 3주 이상 생존하고 기능하는 모습을 보였다.

그러나 이 신생 근육은 인체 고유 근육조직만큼 강하지 않고, 이전 근아세포로부터 성장시킨 근육보다 미흡한 것으로 나타났다. 그럼에도 불구하고 연구진은 이 근육이 더 강하고 오래된 근육이 가지고 있지 않은 가능성을 갖고 있다고 말한다.

만능 줄기세포에서 유래된 근섬유는 정상적인 성체 근육의 손상을 복구하는데 필요한 ‘위성과 같은 세포(satellite-like cells)’들의 저장소가 될 수 있다. 이에 비해 이전 연구에서 만든 근육은 그런 세포 수가 훨씬 적다. 줄기세포 방법은 또 생검을 통한 근아세포 방법보다 세포 수가 적은 데서 출발해도 더 많은 세포들을 얻을 수 있는 이점이 있다.

새로운 근육 섬유를 염색한 횡단면. 빨간 세포는 근육 세포, 녹색 영역은 신경 입력을 위한 수용체, 파란색 패치는 세포핵이다. Credit: Pratt School of Engineering, Duke Univ.

새로운 근육 섬유를 염색한 횡단면. 빨간 세포는 근육 세포, 녹색 영역은 신경 입력을 위한 수용체, 파란색 패치는 세포핵이다. Credit: Pratt School of Engineering, Duke Univ.

재생 치료와 희귀병 모델 개발에 활용

이 두가지 장점은 새로운 방법을 재생 치료에 활용하고 아울러 미래 연구와 개별 건강관리를 위한 희귀병 모델 개발에 활용할 수 있는 가능성을 제시해 준다.

버르삭 교수는 “희귀병 연구에 대한 전망은 특히 흥미롭다”고 말했다. 그는 “어린이의 근육이 뒤셴 근이영양증 같은 휘귀병에 걸려 쇠약해 졌을 때 치료를 위해 조직을 떼어내 손상을 입히는 것은 윤리적이지 않다”며, “이번 연구에 쓰인 기술로 피부 또는 혈액 같은 비근육 조직에서 채취한 작은 표본을 다능성 상태로 되돌린 다음, 필요한 양 만큼 많이 만들어서 시험해 볼 수 있다”고 말했다.

이 기술은 또 유전자 치료에도 결합시킬 수 있다. 연구팀은 이론적으로는 환자로부터 확보한 유도 만능 줄기세포의 유전적 결함을 수정한 다음 건강한 근육으로 성장시킬 수 있다고 말한다. 몸 전체의 모든 병든 근육을 치유하거나 대체할 수는 없지만 더욱 광범위하게 표적화된 유전자 치료와 병행하거나, 많은 국소적인 문제들을 치유하는데 활용할 수 있다는 것이다.

연구팀은 현재 더욱 견고한 근육을 만들기 위한 기술 정제와 희귀 근육병의 새 모델 개발 연구에 착수했다.

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