글: 와이제이세라퓨틱스 이지윤 연구소장

회복되지 않는 신경계, 그리고 늘어나는 환자들

우리 몸은 참 놀라운 회복능력을 가지고 있습니다. 칼에 베인 상처는 며칠이면 아물고, 부러진 뼈도 시간이 지나면 원래보다 더 튼튼하게 붙습니다. 그러나 뇌와 척수와 같은 중추신경계는 예외입니다. 이 부위의 신경세포는 한 번 손상되면 스스로 회복되지 않습니다.

신경세포는 성숙한 이후에는 다른 세포들과 달리 분열 능력을 거의 잃어버리기 때문에, 손상되면 자연적인 재생이 어렵습니다. 그래서 교통사고로 척수를 다친 환자는 평생 휠체어에 의존해야 하고, 파킨슨병 환자는 손발이 점점 굳어가며 움직임이 어려워집니다. 치매 환자는 소중한 기억들을 하나씩 잃어가고, 루게릭병 환자는 의식은 또렷한 상태에서 점차 팔다리를 움직일 수 없게 됩니다. 다발성경화증 환자는 시력과 운동 기능이 나빠졌다가  다시 호전되는  불안정한 과정을 반복합니다.

이러한 신경계 질환은 단순히 환자 개인의 문제에 그치지 않습니다. 전 세계적으로 이미 1억 5천만 명 이상이 신경세포 손실로 인한 질환으로 고통받고 있으며, 고령화가 빠르게 진행되면서 환자 수는 기하급수적으로 증가하고 있습니다. 한 사람의 병이 가족 전체의 삶을 바꾸고, 사회 전체가 감당해야 할 의료비와 돌봄 부담으로 이어지고 있는 상황입니다.

신경세포를 얻기 위한 끝없는 시도들

 손상된 신경세포가 스스로 재생되지 않는다면, 새로운 세포를 외부에서 공급해주면 되지 않을까요? 이런 발상으로  의학계는 다양한 접근을 시도 해왔습니다.

 초기에는 태아의 뇌에서 신경줄기세포를 채취해 환자에게 이식하는 방법이 연구되었고, 일부 파킨슨병 환자에서 증상 개선 효과를 보이기도 했습니다. 하지만 태아 조직을 이용하는 것은 윤리적 논란이 매우 크고, 무엇보다 공급이 절대적으로 부족해 대량생산이 불가능하다는 근본적인 한계가 있었습니다.

 이후 과학자들은 배아줄기세포(ESC)와 유도만능줄기세포(iPSC)라는 두 가지 혁신적인 기술을 개발했습니다. ESC는 수정란 초기 단계에서 얻는 세포로, 우리 몸의 거의 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 놀라운 능력을 가지고 있습니다. 또한 iPSC는 환자 본인의 피부나 혈액 세포에 특별한 유전자들을 넣어서 마치 시계를 거꾸로 돌리듯 미분화 상태로 되돌린 세포입니다. 이 역시 다양한 세포로 분화할 수 있는 만능성을 가지고 있습니다.

이 두 기술은 분명히 강력한 잠재력을 가지고 있지만, 여전히 해결해야 할 과제들이 남아있습니다. ESC는 윤리적 문제가 있고, iPSC는 복잡한 유전자 조작 과정이 필요하며, 두 기술 모두 예상치 못한 종양 발생 위험을 내포하고 있습니다. 그럼에도 불구하고 전 세계 수많은 연구팀과 바이오기업들이 이들 세포를 활용한 치료제 개발에 매진하고 있습니다.

성인의 뇌 조직에서 직접 신경줄기세포를 분리하는 방법도 연구되었지만, 역시 공급원의 한계와 면역거부가능성으로 인해 세포치료제로 개발하기는  제약이 따릅니다.

직접교차분화 기술, 새로운 가능성의 문을 열다

이러한 기존의  한계를 뛰어넘는 새로운 기술이 등장했습니다. 중간엽줄기세포를 단 하나의 저분자화합물로 처리해 신경줄기세포로 직접 바꾸는 직접교차분화(direct conversion) 기술입니다.

중간엽줄기세포(MSC)는 골수, 지방조직, 제대혈 등에서 비교적 쉽게 얻을 수 있으며, 본래 뼈·지방·연골 같은 조직으로 분화하는  성체줄기세포입니다. 하지만 직접교차분화기술을 활용하면, 단 하나의 저분자화합물을 처리하는 것만으로 불과 2일 만에 신경줄기세포를 확보할 수 있습니다.

이 과정에서 주목할 점은 복잡한 유전자 조작이 전혀 필요 없다는 것입니다. 마치 마법의 열쇠처럼 저분자화합물이 세포의 운명을 완전히 바꾸어 버립니다. 그 결과 신경줄기세포를 손쉽게 다량으로 확보할 수 있게 되었습니다. 

더 나아가 이 기술로 두 가지 단계의 서로 다른 세포를 생산할 수 있다는 점도 주목할 만합니다. 신경줄기세포(NSC)는 아직 어린 상태라 스스로 증식할 수 있고, 뉴런·희소돌기아교세포·성상세포 등 다양한 신경계 세포로 분화할 수 있습니다. 반면 신경전구세포(NPC)는 좀 더 성숙 단계에 가까워, 신경세포로 빠르게 분화하는 특성이 있어 손상된 조직에 직접 투입하기에 적합합니다. 마치 상황에 따라 적절한 도구를 고르듯, 질환 특성에 따라 알맞은 세포를 선택할 수 있다는 점이 큰 장점입니다.

질환별 맞춤형 치료 전략

모든 신경계 질환이 똑같은 양상으로 진행되는 것은 아닙니다. 손상되는 세포의 종류와 원인이 제각기 다르기 때문에, 어떤 세포를 활용하느냐에 따라 치료 성패가 갈릴 수 있습니다. 예를 들어, 교통사고나 추락 등의 외상으로 신경세포가 물리적으로  끊어진 척수손상의 경우, 새로운 신경세포를 직접 공급해주는 것이 가장 효과적이므로, 신경세포로 빠르게 분화할 수 있는 신경전구세포가 적합할 수 있습니다. 또한 뇌에서 도파민을 만드는 특별한 신경세포들이 점차 줄어드는 질환인 파킨슨병의 경우도 신경전구세포를 통해 새로운 도파민 신경세포를 보충해주면 치료효과를 기대할 수 있을 것입니다. 

다발성경화증(MS)은 신경을 감싸고 있는 미엘린이라는 절연체가 파괴되는 질환으로 전선의 피복이 벗겨진 것처럼 신경 신호가 제대로 전달되지 않습니다. 이때는 미엘린을 만드는 희소돌기아교세포가 필요한데, 신경줄기세포가 이런 희소돌기아교세포로 분화할 수 있어 적합할 것입니다.

이처럼 질환 특성과 병리 기전을 고려해 신경줄기세포와 신경전구세포를 적재적소에 활용하는 것이 차별화된 치료 전략입니다.

희망을 현실로 만들어가는 여정

현재 이 직접교차분화 기술을 이용한 신경전구세포는 임상시험용 생산을 완료하여 만성 척수손상 환자를 대상으로 임상시험 승인을 신청한 상태입니다. 동시에 신경줄기세포는 안정적인 생산 공정 개발과 세포 특성 분석이 진행 중이며, 다발성경화증과 루게릭병 등 퇴행성 신경질환 치료를 목표로  연구가 진행되고 있습니다.

전 세계에는 이미 1억 5천만 명이 넘는 퇴행성 신경질환 환자가 있으며,  그 수는 빠르게 증가하고 있습니다. 이러한 현실 속에서 우리 연구팀은 더 이상 일부 환자만 혜택을 받는 고가 치료제가 아니라, 안전하고 대량생산이 가능한 세포치료제를 누구나 접근할 수 있도록 만드는 것이 목표입니다. 

언젠가 이 기술을 통해 손상된 신경세포를 대신할 혁신적 치료제가 개발되어, 휠체어에 의존하던 환자가 다시 걸을 수 있고, 말을 잃었던 이들이 사랑하는 이의 이름을 부를 수 있으며, 치매 환자들이 가족의 얼굴을 다시 기억하게 되는 날이 오기를 기대합니다.