줄기세포를 이용해 만든 인간대장조직

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2010-12-16

최근 과학자들은 배아발달단계를 모방하여 인간줄기세포를 자극하고 주요 세포형태의 발달단계를 반복하여 대장과 유사한 3차원의 조직을 만드는데 성공했다. 학술지인 ‘네이처’지에 발표된 논문은 처음으로 배양과정을 통해서 인간배아줄기세포가 특정한 3차원 조직을 형성하도록 자극한 최초의 사례가 된다고 이번 연구를 주도한 오하이오 주의 신시네티 어린이병원 (Cincinnati Children’s Hospital Medical Center)의 발달생물학자인 제임스 웰즈 (James Wells)는 말했다. 과학자들은 인간대장발달과 질병 및 이식치료를 위해 좀더 흡수가 빠르고 조직성장을 쉽게 할 수 있는 약물을 제작하는 분자적 기초를 조사하는 프로토콜로 사용할 수 있다고 그는 주장했다.

웰즈의 연구팀은 신체의 어떤 형태의 조직으로 발달할 수 있는 인간배아줄기세포뿐 아니라 배아줄기세포처럼 행위 하도록 재프로그램을 수행한 성체세포인 유도만능줄기세포 (iPS)를 이용하였다. 연구자들은 이 세포들을 자극하여 대장세포로 전환되도록 했으며 세포성장을 촉진하고 특화를 유도하는 물질인 성장인자를 이용하여 3차원 구조로 발달하도록 했다. 이 구조는 일단 성장을 촉진하는 각기 다른 성장인자의 합성물로 가득채워진 3차원 배양물에 놓아두면 대장을 모방하기 시작하고 대장기관과 같은 구조로 발달하게 된다 (Sato, T. et al. 2009). 버지니아 의대 (University of Virginia School of Medicine)의 소화기 전문의인 스티븐 콘 (Steven Cohn)은 “이번 연구는 매우 중요한 발전으로 인간대장의 발달을 연구할 수 있는 실험시스템을 제공하기 때문이다. 이번 연구결과를 통해서 연구자들은 앞으로 이전에는 할 수 없었던 실험관에서 인간조직발달을 연구할 수 있게 한다”고 말했다.

연구자들은 인간배아줄기세포와 유도만능줄기세포에 단백질인 액티빈 A (activin A)를 첨가하여 각각 분리하여 배아발달과정에서 발생하는 세포의 한 층위인 내배엽 (endoderm)으로 전환하도록 촉진했으며 궁극적으로 위장기관과 다른 기관으로 분화되었다. 이들은 단백질인 WNT3A와 섬유아세포 성장인자 4 (FGF4)를 첨가하는 것은 세포가 위장기관의 가장 마지막 부분인 뒤창자 (hindgut)로 발달하는데 필요하다는 것을 발견했다. 그리고 며칠 안에 평면의 조직 세포면은 관형태로 비틀리게 성장하기 시작했으며 이들 중 많은 부분은 실험쥐의 배아발달과정에서 볼 수 있는 것과 유사한 층위의 구형 조직으로 싹을 트는 것과 같은 형태를 띠게 되었다.

연구팀은 구형조직을 3차원 형태의 배양액에 놓고 성체 실험쥐에서 채취한 대장 줄기세포에서 얻어진 구조조직과 유사한 구조로 발달하도록 했다. 이러한 과정은 실험쥐가 태아상태에서 대장이 발달하는 것과 동일한 과정으로 구형조직은 확장되고 손가락과 같은 돌기부를 갖고 있는 원주모양의 세포로 발달했고 이 부분은 대장줄기세포를 생산했다. 실험이 이루어진 후 한 달 안에 이 조직은 내장에서 발견되는 모든 종류의 주요 세포계통을 생산했다. 특히 영양분을 흡수하는 부드러운 근육과 세포와 점액과 호르몬 및 효소를 분비하는 세포를 포함하고 있다. 이들 세포는 그 뒤 몇 달 동안 계속 성장했다. 콘은 “대장에서 모든 형태의 세포를 생산하는 능력은 매우 인상 깊은 것이었다. 이것은 처음으로 인간유도만능줄기세포를 가지고 시험관에서 대부분 조직발달을 재현할 수 있다는 것을 가능케 하고 있다”고 말했다. 유도만능줄기세포는 신뢰성 있고 조직형성의 지속적인 원천이 될 수 있다.

위스컨신 의대 (Medical College of Wisconsin)의 줄기세포 생물학자인 스티븐 던컨 (Stephen Duncan)은 “이번 연구는 대장연구분야의 대단한 발달”이라는 점에 동의하고 있다. 그 이유는 이번 연구가 인간의 대장발달을 조사할 수 있는 가능성을 열었다는 점 때문이며 염증성대장염 (inflammatory bowel disease)나 단장증후군 (short bowel syndrome)과 같이 영양분 흡수에 어려움을 겪는 질병의 메커니즘을 조사할 수 있게 되었기 때문이다. 과학자들은 또한 이 방법을 통해 콜레스테롤 섭취를 막는 약물을 위한 스크린에 사용할 수 있다고 그는 말했다.

웰즈와 그의 동료들은 배양을 통해서 대장신경세포를 만드는 연구를 수행하고 있으며 이 조직을 대장질환을 갖고 있는 실험쥐에 이식하는 연구를 하고 있다. 이들은 또한 선천성 기형을 갖고 있는 환자의 유도만능줄기세포를 생산하여 배양을 통해 대장발달에서 어느 곳이 잘못되었는가를 알아내는 연구를 계획하고 있다. 그 후에 이 연구팀은 이러한 결함을 치료하고 환자의 조직을 재생시킬 수 있을지도 모른다. 웰즈는 “이번 연구는 퇴행성 대장질환을 앓고 있는 사람들에게 조직을 대체하는 치료법의 첫 번째 단계가 될 수 있다”고 말했다.

출처: ‘네이처’ 2010년 12월 12일
원문참조:
Spence, J. R. et al. Nature advance online publication doi:10.1038/nature09691 (12 December 2010).
Sato, T. et al. Nature 459, 262-265 (2009).