유도만능줄기세포
유도만능줄기세포의 적용 > 불임치료

2009년 7월 8일, 영국 뉴캐슬 대학과 뉴잉글랜드 복잡계 연구소(NESCI)의 카림 나예니아 박사 연구팀은 인간 배아줄기세포에서 세계 최초로 시험관 정자를 생산했다. 배아줄기세포는 어떤 종류의 세포로도 분화할 수 있지만 정자로 성장시키는 데 성공한 것은 이들이 처음이다. 그러나 유도만능줄기세포를 이용한 것은 아니다. 이란 출신 카림 나예니아 박사는 독일에서 연구하다가, 독일 정부가 인간 배아줄기세포 연구를 금지시키자, 2006년 영국 뉴캐슬 대학으로 이주해 연구를 계속했다.
2011년 8월 5일, 일본 교토대 사이토 미치노리(齊藤通紀) 교수 연구팀은 세계 최초로 쥐의 체세포를 조작해 유도만능줄기세포로 만들고 다시 조작해 정자를 만들어 체외에서 수정해 새끼 쥐를 출산시키는데 성공했다. 같은 날 셀 지 인터넷판에도 소개되었다. 쥐의 배아줄기세포에서 정자를 만든 것도, 쥐의 유도만능줄기세포에서 정자```를 만든 것도, 정자를 통해 수정 및 출산에 성공한 것도 세계 최초다.
2012년 미국 피츠버그 대학 연구팀이 생식기능이 정상인 남성의 피부세포를 유도만능줄기세포로 환원시켜, 정자전구세포를 만드는데 세계최초로 성공했다.
2014년 5월 1일, 미국 스탠퍼드 대학 줄기세포생물학·재생의학연구소의 레이호 페라 박사는 Y염색체 이상으로 정자가 없는 무정자증 남성의 피부세포를 유도만능줄기세포로 환원시켜 이를 쥐의 고환에 주입, 초기단계의 정자세포인 정자전구세포로 자라게 하는 데 성공했다. 세계최초로 무정자증 남성의 피부로 정자를 만들었다.
항노화적 특징
다분화능을 가진 중간엽 줄기세포는 만능성 줄기세포로 유도될 때 노화의 표현형을 늦추거나 되돌릴 수 있는 높은 가능성을 가지고 있다. 이러한 항노화적 특성은 2017년 전 임상 단계에서 입증되었다. 2020년 스탠퍼드 대학 연구진들은 노화가 일어난 쥐를 연구한 후에 야마나카 인자를 주입한 늙은 인간의 세포가 역노화가 일어났고, 젊은 세포와 구분이 불가능한 수준으로 회춘했다고 보고하였다.
인공혈액
헌혈로 얻어지는 혈액 1팩에는 약 2조 개의 적혈구가 있고 전 세계적으로 1억 700만 건 이상의 헌혈이 이루어지고 있지만, 여전히 수혈을 위한 혈액이 부족한 현실이다. 2014년 스코틀랜드 국립 수혈국 (Scottish National Blood Transfusion Serivce)에서는 유도만능줄기세포를 이용하여 O형의 적혈구를 만들었다. 이 세포들은 중배엽으로 유도되었고 차례로 혈구, 적혈구로 분화되었다. 마지막 단계는 이 세포들의 핵을 제거하고 정확하게 성숙되도록 하는 것이었다. O형은 모든 환자에게 수혈할 수 있다. 인간에 대한 임상은 2016년 이전에는 시행되지 않을 것으로 예상된다.
기관 재생
2021년에는 쥐에서 종양이 형성되지 않은 손상된 심장을 재생시키는 데 야마나카 인자 리프로그래밍 기반의 접근법이 시행되었으며 이는 심장 발작이 일어나기 직전 혹은 직후에 이루어질 경우 성공적인 결과를 보였다.
조직 회복
배아의 제대혈 세포는 플라스미드 DNA를 사용하여 만능성 줄기세포로 유도된다. 세포 표면 내피/주변세포 표식인 CD31과 CD146을 사용하여 연구자들은 '혈관 전구체', 즉 고품질의 다분화능 혈관 줄기세포를 식별했다. 유도만능줄기세포가 쥐의 손상된 망막의 유리체에 직접 주입된 후, 성장하고 혈관을 회복시키는 것을 확인했다.
표지된 유도만능줄기세포 유래 신경줄기세포가 뇌 병변을 가진 실험 동물에 주입되었을 때, 이 세포들이 병변이 발생한 부위로 이동하는 것이 관찰되었고 동물의 운동 기능이 개선된 것을 확인하였다.
심근세포
유도만능줄기세포 유래의 심근세포는 화학적으로 정의된 분화 방법을 이용하여 대량으로 생산이 가능하다. 이러한 방법은 일반적으로 심장 발달에 필요한 성장관련 신호전달 경로를 조절한다. 유도만능줄기세포 유래 심근세포는 유전적인 부정맥과 심장 약물 반응을 재현해 낼 수 있다. 왜냐하면 이 세포들은 공여자와 같은 유전적 배경을 보이기 때문이다.
2014년 6월, Takara Bio는 교토대학의 유도만능줄기세포 연구소인 iHeart Japan으로부터 기술 이전을 받았다. 이를 통해 아시아에서 유도만능줄기세포를 심장근육세포로 분화시키는 기술과 특허를 독점적으로 사용할 수 있게 되었다. 이 회사는 심장 질환과 관련된 새로운 약물 개발을 돕기 위해 심장근육세포를 제약 회사와 대학에 판매하겠다고 밝혔다.
2018년 3월 9일, 오사카 대학의 특정 재생의학 위원회 (Specified Regenerative Medicine Committee of Osaka University)는 세계 최초로 유도만능줄기세포를 이용하여 만들어낸 "심장 시트 (Myocardial sheet)"를 중증 심부전 환자의 심장에 이식하는 임상 연구 계획을 공식적으로 승인하였다. 오사카 대학은 같은 날 보건노동복지부에 신청서를 제출했다고 밝혔다.
2018년 5월 16일, 임상 연구 계획이 보건노동복지부에 의해 조건부 승인되었다.
2019년 10월, 오키야마 대학의 한 연구진은 유도만능줄기세포로부터 분화된 심근세포를 이용하여 허혈성 심장 질환 모델을 개발했다.
장기 생성
일본의 연구자들이 보고한 유도만능줄기세포를 이용하여 이식을 위한 인간의 장기를 생성할 수 있다는 개념증명 (proof-of-concept)이 있다. 3가지의 다른 줄기세포에서 인간의 간싹 (Liver buds)을 생성해 냈다. 3가지 줄기세포는 각각 유도만능줄기세포에서 유도된 간세포 (간 기능을 위해); 제대혈에서 얻어낸 내피 줄기세포 (혈관의 내막 형성); 중간엽 줄기세포 (결합조직 형성을 위해)이다. 이러한 새로운 방법은 다양한 세포가 태아의 발달 과정을 모방하여 복잡한 형태인 장기를 형성할 수 있도록 한다. 실험실 내에서 몇일간 성장 후, 간싹은 쥐에 이식 되었고 빠르게 쥐의 혈관과 연결되어 지속적으로 성장했다. 가장 중요한 것은, 이식된 간이 약물을 대사하고 간 특이적 단백질을 생산하는 등 정상적인 간 기능을 수행하였다는 것이다. 추가 연구는 이식된 장기의 수명 (동기화 되거나 탈락을 피하는 능력)과 종양으로 변화하는지 여부를 모니터링 하는 것이다. 이 방법을 이용하면, 한 마리의 쥐에서 얻은 세포를 이용하여 간 질환을 치료하기 위한 1,000가지의 약물을 시험하고 사용되는 동물의 수를 최대 50,000마리까지 줄일 수 있다고 주장한다.
임상 시험
자가 유래의 유도만능줄기세포를 사용한 첫 번째 임상 시험이 2014년 일본 보건부에 의해 승인되었으며 고베의 리켄 발달생물학 센터 (Riken Center for Developmental Biology)가 이를 실시할 예정이었다. 그러나 이 계획은 2015년 11월에 일본의 새로운 재생 의학 법이 시행되어 기존의 지침이 강화되어 법적인 문제가 발생해 중단되었다. 황반변성 (Wet-AMD)를 가진 6명의 환자의 피부 세포로부터 만든 유도만능줄기세포는 망막색소상피(RPE) 세포로 분화가 유도되었다. 이 세포는 퇴행이 일어난 RPE조직을 제거한 망막에 이식될 예정이었다. 안전성 및 시력 복원에 대한 추적은 1~3년 동안 이루어질 예정이었다.
2017년 3월 마사요 다카하시(Masayo Takahashi)의 연구진들은 기증자로부터 얻어낸 유도만능줄기세포 유래 망막 세포를 고도의 황반변성을 가진 사람의 눈에 성공적으로 이식하였다. 그러나 이 환자들이 현재 합병증을 겪고 있다는 보고가 있었다. 자가 유래의 유도만능줄기세포를 사용하는 이점으로는 이론적으로 이식 거부반응의 위험이 없으며 윤리적인 문제점이 없다는 것이다. 하지만 이 실험에 사용된 유도만능줄기세포의 경우 자가 유래가 아닌 다른 사람의 세포로부터 유도된 것으로 밝혀졌다.
유도만능줄기세포를 이용한 새로운 임상 시험은 현재 일본뿐만 아니라 미국과 유럽에서도 진행 중이다. 2021년에 클리니컬트라이얼즈(Clinicaltrials.gov)에 유도만능줄기세포가 언급된 129개의 항목이 있었지만, 대부분 중재되지 않았다.
한계
2006년, 야마나카 연구팀은 체세포에서 다능성을 유도할 수 있는 24개의 유전자를 후보군으로 선정하였다. 이중 Oct3/4 와 Sox2가 유도만능줄기세포의 생성에 필수 인자임을 밝히고, 이전 연구들에서 pluripotency를 유지하는 핵심 전사 인자 중 하나로 알려졌던 Nanog는 실제 리프로그래밍 기전에는 관련이 없다고 보고하였다. 또한 c-Myc 과 Klf4 여시 유도만능줄기세포의 생성에 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀냈고, 이 두가지의 종양 관련 인자들은 다른 암유전자들은 다른 암유전자들(E-Ras, Tcl1, ß-catenin, Stat3)로는 대체 불가능하다고 보고하였다.
이후 2007년, Thomson 연구팀은 Yamanaka 연구팀의 실험과 다른 조합(Oct4, Sox2, Nanog, Lin28)을 이용하여 실험을 실행하였는데, 그 결과 기존의 연구에서 리프로그래밍 기전에 관련이 없는 것으로 알려졌던 Nanog 인자가 리프로그래밍의 효율을 높이며 리프로그래밍 된 세포의 초기 생존률을 높이는데 기여하는 것을 밝혔으며, Lin28 역시 유도만능줄기세포의 생성에 관여한다고 보고하였다.
여러 연구에서 유도만능줄기세포의 기본 메커니즘을 분석하고, 기술의 완성도를 높이기 위한 시도들이 이뤄졌지만 유도만능줄기세포는 아직 임상적 적용에 있어 몇 가지 한계점을 가지고 있다. 유전자 도입에 바이러스를 이용한다는 점(integrated iPSCs)과 c-Myc, Klf4 등의 인자가 가지는 tumorigenicity는 유도만능줄기세포의 대표적인 한계점으로 꼽힌다.