우리나라 줄기세포 분화 기술력이 세계적으로 그 연구 성과의 가치를 인정받게 되었다.
연세대 의대 생리학 교실 김동욱 교수팀에 의해 개발된 인간 전분화능 줄기세포(배아줄기세포 및 역분화 줄기세포)의 신경세포로의 분화(생산) 방법이 국제 줄기세포 포럼에서 표준화 프로토콜로 채택되었다.
21세기 프론티어연구개발사업 세포응용연구사업단의 지원을 받는 김동욱 교수팀은 “효율적이고 보편적인 전분화능 줄기세포의 신경세포 분화 유도방법”이 지난달 9월 14~17일 영국에서 개최된 국제 줄기세포 포럼 산하 “국제줄기세포 이니셔티브”에서 신경계통(외배엽)분야 줄기세포 분화의 대표 공식 프로토콜로 채택되었다고 밝혔다.
따라서, 이 프로토콜은 앞으로 전 세계의 전분화능 줄기세포주들을 대상으로 신경세포로 분화시켜 비교 분석하는데 사용하게 된다.
전분화능 배아 줄기세포를 난치병 치료에 이용하기 위해서는 성체줄기세포와 달리 특정 체세포로 분화시키는 기술이 필수적이다.
전분화능 줄기세포는 모든 체세포로 분화할 능력이 있기 때문에 적절히 분화시키지 않은 상태로 이식할 경우 기형종(teratoma)이라고 하는 암 조직이 발생할 우려가 있다
따라서 신경세포, 간세포 등 원하는 체세포로 분화시키는 기술을 개발하는 것은 전분화능 줄기세포를 난치병 치료에 적용하기 위해 가장 중요한 과정으로 여겨지고 있다.
김동욱 교수팀은 그동안 이 분야에서 세계 선두 그룹을 유지해 왔다.
배아줄기세포에서 파킨슨 질병에 쓰이는 도파민 신경세포를 세계 최고 수율(85~90%)로 분화시키는 데 성공하였고, 척수 손상에 쓰이는 희소돌기아교세포(올리고덴드로사이트)를 제론(Geron)사에 이어 세계 2번째로 만들었으며, 배아줄기세포유래 가바 신경세포를 세계 최초로 척수 손상의 통증 모델에 이식해 효과를 보는데 성공하였다.
또한, 배아줄기세포 및 역분화 줄기세포(iPS cells)에 대한 공통 신경세포 분화법을 개발하기도 하였다.
이번 연구의 중요 분화 방법의 핵심은 배아줄기세포주들은 세포주에 따라 기본적으로 어떤 것은 신경세포로, 어떤 것은 근육세포 혹은 췌장세포로 잘 분화하려는 고유한 분화 특성을 가지고 있다
최근까지 인간 배아줄기세포를 신경계 세포로 분화 유도할 수 있는 분화 방법은 많이 보고 되어 왔으나, 세포주 고유의 특성 때문에 그 분화 효율이 제각각인 것으로 알려져 있다. 따라서 모든 세포주에 공통 적용할 수 있는 효율적인 분화법 개발이 절실히 요구되었다.
이에 연구진은 신경세포의 분화에 관련된 세포신호기전을 연구하여 저분자 물질을 사용하여 모든 전분화능 줄기세포를 효율적으로 신경세포로 유도할 수 있는 분화법을 개발하였다.
즉, 배아 발생과정 중 중요한 세포신호에는 비엠피(BMP) 신호와 액티빈/노달(Activin/Nodal) 신호가 있는데, 이 두 신호 모두 외배엽성 신경계로의 분화는 억제하고 대신 내배엽(소화/호흡기관계 세포)과 중배엽(근골격계 세포)으로의 분화를 촉진시키는 것으로 알려져 있다.
연구진은 저분자 화합물질을 이용해 두 세포의 신호 전달을 동시에 차단함으로써 모든 세포주에서 내배엽과 중배엽으로의 분화를 현저히 억제하고, 신경세포(외배엽)로의 분화를 매우 효과적으로 유도할 수 있었다.
김 교수팀은 이 분화방법을 이용하여 배아줄기세포로부터 도파민신경세포를 짧은 시간에 대량으로 만들고, 이를 이용 파킨슨 질환용 세포치료제를 세계 최초로 개발하겠다는 계획과 비전을 가지고 있다.
이러한 분화 방법은 그 동안, 미국 과학원회보(PNAS), 네이쳐 프로토콜(Nature Protocols), 스템셀 리뷰?리포트(Stem Cell Reviews and Reports), 스템셀(Stem Cells) 등에 보고되었으며, 국내외 특허도 출원하였다.
그림1. 저분자물질(Dorsomorphin, SB431542)에 의한 비엠피 및 액티빈/노달 신호전달 억제와 신경세포로의 분화
그림2. 효율적이고 보편적인 분화 방법에 의한 신경세포 생산
그림3. 도파민 신경세포로의 분화에 응용한 후 세포주간 비슷한 분화 수율 얻음
그림4. 전분화능 줄기세포로부터 여러 가지 신경세포 및 희소돌기아교세포 생산과 질병 동물모델에서의 기능 회복
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