티야의 구름사탕

중간엽줄기세포 (Mesenchymal stem cells; MSCs) 치료제는 안전한가요?

MSC exosome의 안전성

올해 6월에 열린 어떤 줄기세포 학회에서 만난 미국 의사분과 대화를 나눴습니다. 그분은 한국에서 MSC 관련 연구를 많이 하고 있는 만큼, 혹시 사람에게 MSC를 정맥주사한 적이 있거나, 그런 적이 있는 사람을 알고 있느냐 물으셨습니다. 그분은 바로 그 다음날 자신의 환자 한명에게 MSC 정맥주사를 할 예정이라고 하셨습니다. 무슨 질병을 치료하기 위해서냐 물으니, 오랫동안 질병으로 고생하신 어떤 할머니가 우울증이 심해서 혹시 도움이 될까 해본다고 하셨습니다. 그분은 이미 실험적으로 연골치료 등등에 대해 MSC를 국소적으로 주사한 경험이 있으셨던 의사분이었습니다. 그런데 정맥주사는 처음이라고, 동물에게서는 아무런 문제가 없다고 하지만 그 동물들의 의견을 물을 수는 없으니, 진짜로 안전한지 궁금하다고 했습니다. 그리고 그 질문은 우리 모두가 가지고 있는 질문일 것입니다. 안전성에 대해서는 알려진 것은 어떤 것들이 있을까요?

출처: http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/30793/title/Exosome-Explosion/

이번 편에서는 MSC가 내보내는 물질들(exosomes; 막으로 싸여져서 안에 물질을 담고 있는 세포 안의 구조물)의 안전성에 관해 연구한 한 논문(Cytotherapy. 2016 Mar;18(3):413-22.)을 소개해드립니다.

이 연구팀에서는 토끼, 기니피그, 쥐(여기에선 랫트 또는 랫드를 의미합니다; rats; 생쥐보다 큰 쥐)에 MSC exosome을 투입하여 안전성 연구를 하였습니다. 그들이 관찰한 항목과 그 결과에 대해 정리해보겠습니다.

1) 용혈 (hemolysis)

토끼 심장에서 채취한 혈액에 MSC exosomes를 섞어 용혈작용이 일어나는지 관찰을 하였는데, 용혈이 관찰되지 않았습니다. 이는 MSC에서 나오는 물질이 혈관 속에서 적혈구를 터뜨리지 않을 것임을 의미합니다.

2) 혈관과 근육 자극 (vascular and muscle stimulation)

정맥에 MSC exosomes를 주사받은 토끼의 정맥을 관찰해보니 막힘이나 주변 조직의 팽윤(swelling)이 관찰되지 않았습니다. 토끼의 근육을 관찰한 결과, 결이 진 근육의 구조에는 이상이 없었고, 근육 사이사이에 출혈도 없었다고 합니다. 

3) 발열성 물질 (pyrogen)

MSC exosomes를 주사받았을 때 발열이 일어나지 않았습니다.

4) 전신성 과민반응 (systemic anaphylaxis)

기니피그에 MSC exsomes를 주사하여 불안(restlessness), 숨가쁨(shortness of breath), 호흡곤란(difficulty breathing) 등이 관찰되지 않았습니다.

5) 혈액학 지표 (hematology indexes)

적혈구 수(RBC)와 헤모글로빈(hemoglobin; 산소운반역할을 하는 물질, 적으면 빈혈), 헤마토크릿(hematocrit; 혈액 속 적혈구 용적의 비율, 적으면 빈혈)이 정상치보다 증가하였지만, 식염수를 투여받은 군과 다르지 않았다고 합니다. 그 외에 백혈구 수(WBC)나 림프구(lymphocytes), 단핵구(monocytes), 과립구(granulocytes)의 비율은 정상이었습니다.

6) 간기능과 신기능

간기능의 지표로 사용될 수 있는 여러 효소(AST, ALT, ALP) 수치와 총 콜레스테롤 및 총 단백질 수치를 검사했습니다. 신기능으로는 혈액요소성질소(BUN; Blood urea nitrogen)와 크레아티닌 수치를 검사했는데요. MSC exosomes를 주사받은 군과 주사받지 않은 군의 차이가 관찰되지 않았다고 합니다.

그리고 추가적으로 쥐에서 MSC exosome 주사는 체중감소 효과가 있었다고 합니다. 이 현상은 MSC만을 주입하거나 MSC를 키운 배지(conditioned medium)을 주입한 경우에도 보고된 경우가 많은데요. 위의 연구팀은 이런 현상을 암컷 쥐에서만 발견했다고 합니다.

이렇게 보면 문제가 없어보이지만, 문제가 있다는 보고도 있습니다.

바로 MSC exosomes가 암성장을 촉진할 수 있다는 보고인데요. 그런 보고도 있었고, 그렇게 암성장을 촉진하는 것이 VEGF(vascular endothelial growth factor)라는 혈관성장인자를 촉진시켜서 그렇다는 연구결과도 발표된 바 있습니다.

안전성에 대해서는 더 많은 연구와 논의가 필요할 것 같습니다. 다음 번에도 MSC 치료의 안전성에 관해 알아보도록 하겠습니다.

출처 논문들 pubmed 주소:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22055459

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27245267

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21900753

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26857231

주로 뼈세포, 연골세포, 지방세포로 분화한다는 중간엽줄기세포(mesenchymal stem cells; MSCs) 안에 삼배엽 (외배엽, 중배엽, 내배엽) 세포로 분화할 수 있는 세포가 있다니요?

Muse Cells

Multi-lineage differentiating Stress Enduring Cells

줄기세포는 이름만 들어도 너무 쿨해보이는 최신 과학의 끝을 달리는 것 같지만, 역시나 문제가 많은 것 같습니다.

특히나 배아줄기세포(embryonic stem cells; ESCs)를 보면 황우석 박사 사건이 문득 떠오르는 것은 어쩔 수 없나 봅니다.

모두가 알고 있는 그 문제들을 대충 나열해 보자면:

1) 윤리적인 문제: 여성의 난자를 구해오는 과정에서 생기는 문제들 등

2) 종교적인 문제: 생명의 시작이 수정(fertilization)이라면 수정란 실험을 하면 우리는 사람의 목숨을 맘대로 다루는 것이네 등

3) 기술적인 문제: 어디로 튈 지 모르는 이 가능성 많은 애들은 자기네 맘대로 자라서 암이 되고 등

노벨상의 영예를 안겨준 만능유도줄기세포(induced pluripotent stem cells; iPSCs) 역시 위의 3번 문제는 아직 완벽히 피해가지 못한 것 같습니다.

그림 출처: Simerman AA et al. Expert Opin Biol Ther. 2014 Jul;14(7):917-29.

그래서 연구되고 있는 것 중 하나가 뮤즈 세포(Muse cells)라는 애들인데요~

얘네들은 삼배엽으로 분화가 되어, 우리 몸에 있는 어떤 세포로도 될 수 있는 가능성을 지니고 있어서 만능(pluripotent)이라고 할 수 있습니다. 이런 점에서는 배아줄기세포와 만능유도줄기세포의 바로 그 장점을 가진다고 할 수 있습니다.

그런데 엄청 대단한 점은! 얘네들은 암세포로 돌변하지 않는다는 것입니다~! 그럼 안전하겠지요! 바로 위의 3번 문제까지도 해결해준다는 장점까지도 지니고 있습니다. 도대체 얘네 정체가 뭘까요?

세포의 정체를 밝히기 위해서 사용되는 것 하나가 세포 표면에 있는 단백질들(surface proteins)이죠!

뮤즈 세포들은 표면에 배아줄기세포의 표지인 SSEA-3(stage-specific embryonic antigen-3)를 발현하고, 중간엽 줄기세포 표지인 CD105를 둘 다 가지고 있습니다.

일본의 토호쿠 대학에서 2010년에 중간엽 줄기세포들 집단에서 삼배엽으로 분화가 가능하여 만능한 이 세포들을 찾아냈다고 합니다.

어디서 어떻게 얻어질까요? 두 가지 방법이 있습니다.

1) 심각한 세포 스트레스 (Severe cellular stress)

지방 조직을 오랜 기간 세포가 살기 어려운 스트레스 상황에 노출시켜 살아 남는 세포들을 모아서 얻어내는 방법이 있습니다.

이름에서 알다시피 Stress Enduring (스트레스를 견디어 내는) 세포잖아요! 그래서 다른 세포는 살기 어려운 힘든 상황에서도 꿋꿋하게 살아 남는 특성으로 걸러내는 것이지요.

저한테의 스트레스는 주변 사람들의 잔소리와 진로를 찾기 위한 방황 따위의 것들인 것 같은데요^^ 세포에게서 스트레스는 단백질을 분해하는 효소(proteolytic enzyme, 이 경우엔 collagenase)에 오랜 시간 있는다거나, 혈청이 없는 배지에 있는다거나, 낮은 온도나 산소가 적은 곳에 있는 것이라고 합니다. 이렇게 스트레스를 잔뜩 주면 뮤즈 세포만 남길 수가 있다고 합니다.

2) SSEA-3 표지자로 걸러내기 (Cell sorting)

뮤즈 세포들은 SSEA-3라는 배아줄기세포 표지를 표면에 가지고 있다고 했잖아요~ 그것들을 콕콕 집어내서 모으는 방법입니다.

FACS (Fluorescence-activated Cell Sorting) 기법을 주로 이용합니다.

보통 지방유래 중간엽줄기세포(Adipose tissue-derived MSCs)를 사서 FACS로 SSEA-3를 발현하는 세포를 골라낸다고 하는데, 전체 무리(population) 중에서 5% 미만이 뮤즈 세포라고 합니다. 엄청 많은 것은 아니지만~ 이렇게 얻어내기도 한다네요.

줄기세포 치료제의 측면에서 왜 중요할까요?

1) 만능 (Pluripotency)

여기서의 만능은 외배엽, 중배엽, 내배엽의 삼배엽으로 모두 분화가 가능한 능력을 말합니다.

줄기세포치료제로 기대하는 것은 새로운 세포로 대체하는 것이잖아요~ 그런 만큼 우리 몸의 모든 세포로 분화할 수 있는 능력은 매우 매력적입니다.

각 배엽의 세포로 분화시키고자 하는 노력 없이 뮤즈 세포를 가만히 놓아 두면 일부가 분화를 하는데요.

지방 조직에서 얻어낸 뮤즈 세포의 경우, 외배엽은 22%, 중배엽은 23%, 내배엽은 20%의 효율로 분화를 한다고 합니다.

만일 분화를 유도한다면, 외배엽은 78%, 중배엽은 82%, 내배엽은 75%의 효율로 분화를 합니다.

2) 추출(isolation)의 용이성

만능 유도 줄기세포의 경우, 바이러스 벡터를 사용해서 Yamanaka factors라고 불리우는 네 가지 전사유도인자를 발현시켜야 하는 등 복잡한 과정을 거쳐야 하는데요.

뮤즈 세포의 경우, 지방 조직에 상대적으로 조작이 간단한 방법으로 스트레스 상황을 만들면 얻어낼 수 있습니다.

FACS를 통해 세포를 골라내는 작업도 많이 쓰이는 방법으로, 기계와 시약만 있으면 상대적으로 손쉽게 얻어낼 수 있는 방법입니다.

3) 암 발생의 제한

줄기세포 치료제 개발에 문제가 되는 것이 이들이 우리가 원하는대로 조절되지 않고 지멋대로 자라서 퍼지는, 바로 암으로 돌변하는 것인데요.

뮤즈 세포는 암세포로 변한다는 만능 유도 줄기세포나 배아줄기세포와는 다른 전사체(transcriptome)를 보입니다. 이 말은, 각 세포들이 만들어내는 RNA의 종류가 다르다는 것인데요. 만능 유도 줄기세포와 배아줄기세포가 암세포와 비슷하게 RNA를 만들어내는 것이 있는데 뮤즈 세포는 그 RNA들을 만들지 않거나, 아니면 저들이 만들어 내지 않는 RNA를 뮤즈 세포는 만들어낸다거나, 이렇게 다른 점을 지님으로써 암을 일으키지 않는다고 생각되고 있습니다. 

우리 몸에서는 무슨 일을 할까요?

현재 연구가 진행 중입니다. 아무래도 스트레스를 잘 견디어 내는 세포이다 보니, 우리 몸에 충격이 가해졌을 때 몸 안에서 발생하는 스트레스 상황에도 죽지 않고 대처하는 방향으로 작용하지 않을까라는 쪽으로 연구가 진행되는 것 같습니다.

예를 들어 급성 뇌졸중 환자의 혈액에서 뮤즈 세포들이 더 많이 발견되었다고 합니다. 이는 원래 골수같은 곳에 존재하던 뮤즈 세포들이 스트레스 상황에서 활성화되어 혈액으로 나왔다고 할 수 있을텐데요. 

우리 몸에서 발생하는 간염같은 질병의 치료에도 효과를 보였다고 합니다.

삼배엽으로 모두 분화가 가능해서 만능이고, 게다가 얻기에도 상대적으로 쉬운 뮤즈 세포. 좋은 연구 결과가 더 많이 나오길 기대합니다^^

출처 논문들 pubmed 주소:

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23755141

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24940477

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27019988

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24745973