심부전에서 세포치료의 전망

좋은 자료인 것 같아서 퍼왔습니다. ^^ 심부전에서 세포치료의 전망 백 상 홍 가톨릭대학교 의과대학 강남성모병원 순환기내과 심부전은 원인 질환의 종류에 상관없이 심실의 펌프기 능이 심각하게 손상된 상태이다. 이는 칼슘순환 단백질, 근 절구성요소, 심근 에너지생성 효소 등의 발현이나 작동의 변형으로 심근세포의 수축력에 내인성 장애가 생기고 심 근기질의 섬유화, 심장 순응도에 영향을 미치는 심근세포 의 외인성 장애가 유발되고 심근 세포소실, 심근 세포 교 환의 비대칭화가 발생한다. 사람의 심근세포는 세포분열이 끝난 최종 분화된 세포로 출생 후에는 재생이 되지 않는 다는 것에 대한 반박 증거가 보고되고는 있으나, 기존의 내과 치료법으로는 손상 받은 심근세포의 수적 감소를 교 정할 수 없으며, 더구나 중증의 말기 심부전환자는 심장 이식술이나 가교적 치료법인 기계적 좌심실 보조 장치이 외에는 완치법이 없으므로 좀더 적극적이고 첨단화된 치 료법을 필요로 한다. 심근재생은 영원, 송사리 등에서는 역동적으로 작동하고, 그 리고 절단된 사지, 지느러미, 꼬리 등은 아주체라고 불리 는 미분화된 세포괴에 의하여 완전히 복구된다.1 조직 복 구력의 정도는 성체 심근세포의 잔존해있는 증식능의 가 능성에 의존하며, 포유류에서는 정상적인 생물 환경에서는 심근재생은 불가능하다. 심근재생을 위한 여러 가지 보충 전략으로는, 심근 세포의 반응적 증식을 억제하는 세포주 기 점검부위를 조절하거나,2 자연적으로 발생하는 세포 보 호기전을 제공하던지, 또는 세포 사망경로를 차단하는 방 법3 신생혈관조성을 도우는 성장인자나 세포를 이용하여 신 생혈관조성 기전을 공급4 외부에서 심근 전구세포의 제공 등이 있다.5 심근의 재생과 손상된 심근의 기능회복을 위해 여러 종 류의 세포를 이용한 세포이식 치료는 bench to bedside로 의 변환의료의 첫 전략이라 할 수 있다. 실험실에서 여러 가지 세포를 이용한 치료의 긍정적인 결과는, 중증의 급 성 및 만성 허혈성 심부전에서 자가 성체 전구세포를 이 *Tel: 02-590-2075; Fax: 02-591-1075 e-mail: <A href="mailto:whitesh@catholic.ac.kr">whitesh@catholic.ac.kr</A> 백 상 홍 236 용하여 심근재생과 혈관신생으로 손상된 심장의 회복을 위 한 임상적용의 가능성에 임상의들의 즉각적이고 각별한 관 심을 끌기에 충분하였다. 최근 지난 3년간 심근 회복을 목적으로 다양한 세포치 료는 증례 보고 수준에서부터 임상 연구 등으로 조기 임 상연구 결과가 발표되었다. 이들 연구는 서로 다른 치료 전략과 공급 세포의 차이, 이중 맹검법의 대조군 결여 등 에도 불구하고, 소규모의 조기 임상연구들에서 심장기능이 개선되었음을 보고하고 있다. 생체내 이식된 세포가 어떻 게, 얼마동안 작용하는가를 이해하는 것이 중요한 분야지 만, 장차 세포이식 분야에서 해결하여야 주요 과제이다. 2. 임상 적용 2.1 세포 종류 사용 가능한 공여세포는 몇 가지 줄기세포나 전구세포 등이 이론적으로 심근재생을 유발할 수는 있으나, 각 세 포는 장점과 제한점을 지니고 있다. 현재는 골수가 임상 적 심근회복에 가장 흔히 이용되는 세포 제공처이며, 골 수에는 조혈모세포, SP 세포, 중간엽 줄기세포, MAPCs 등 의 세포가 존재한다. 일부 연구자들은 분리하지 않은 골 수 단핵구세포, 혈관내피 전구세포, 중간엽 줄기세포 등을 포함한 세포들을 사용하고 있다. 2.1.1 혈관내피 전구세포 (EPC) EPC는 조혈모세포의 표식자인 CD133과 CD34를 표현 하는 세포이며, 혈관내피세포 성장인자 리셉터-2 (VEGFR2) 라는 혈관세포 표식자를 띄며, 혈관신생 부위에 자리를 잡 는 성질이 있으며, 혈관내피세포 in situ로 분화하는 성질 이 있다6. 세포배양으로 증폭된 EPCs 역시 EPC 능력을 지 닌 CD14+/CD34−-단핵구 세포군을 지니고 있으나 주변분 비인자를 분비한다. 관상동맥환자는 EPC 숫자와 그들의 혈 관형성 능력이 감소되어 있으므로 치료적 사용에는 제한 의 가능성이 있다.7 2.1.2 CD133+ 세포 세포표면 항원 CD133은 초기 조혈모세포와 EPCs에서 만 발현하는데, 이들은 허혈성 조직에서 혈관 신생에 공 조를 한다.8 CD133+ 세포는 신생혈관 부위에서 통합하여 성숙한 혈관내피세포로 분화한다. 골수단핵구 세포에서는 CD133 표식이 소실되는데 골수단핵구 근원세포계열의 EPCs 와 true CD133+ EPCs 와는 구분이 된다. 유핵 골 수세포의 1% 미만이 CD133+ 이고, 이들 세포는 체외증 폭이 되지 않으므로, 아주 제한된 CD133+ 세포만이 치료 적 목적으로 획득할 수 있다. 2.1.3. 중간엽 줄기세포 (MSC) MSC는 골수 간질에 존재하는 CD34−, CD133− 세포로 매우 드문 분포 (조혈모세포의 10% 미만)를 보이고 있다.9 MSC는 골세포, 연골세포, 지방세포로 쉽게 분화한다. MSC 의 심근세포-유사세포로의 분화는 특별한 배양 조건이나 동 물 실험에서 유발되었다.10 MSCs가 심근 혈류개선에 미치 는 영향은 알려진 바는 없으나, 배양된 MSCs 는 신생혈 관 싸이토카인을 분비하고 허혈성조직에서 측부 혈류를 개 선한다. MSC 클론은 체외 증폭이 쉬우며 면역능이 낮다 고 보고되어, 추후 동종이식에 사용될 수도 있다. 2.1.4. 골격근 근육아세포 골격근 근육아세포는 성숙한 횡문근의 세포막에 정상적 으로 휴지기로 존재하는 전구세포이다. 골격근 생검으로 근 육아세포를 체외 배양하여 증폭시킨다. 근육아세포는 근육 대롱세포로 분화하고 허혈조직에 이식한 뒤에도 골격근 특 성을 유지한다.11 잔유 심근세포와 전기기계적 결합은 하 지 않지만, 근육아세포 이식은 동물모델에서 수축기 및 이 완기의 기능을 개선한다. 2.1.5 잔존 심근줄기세포 (CSC) CSC는 심장내에 심근 또는 혈관세포계열로 분화할 수 있는 세포로, 이론적으로는 심장줄기세포가 골수줄기세포 보 다 우월하고 효과적이다12 왜냐하면 손상심근 부위로 빠르 게 선택적으로 직접 이동하여 심근세포와 관상동맥의 기 능적 개선 및 구조적 특성을 심근재생에 이용될 수 있으 나, 골수줄기세포가 심장세포로 분화되기 위해서는 재프로 그램 되어야 한다. 2.1.6. 배아 줄기세포 (ES) ES는 포배기 배아의 내세포괴에서 유래하며, 특별한 배 양 조건하에서 심근세포를 포함하는 삼배엽의 모든 세포 로 분화할 수 있다. 인간배아 유래 심장근육세포는 구조 적, 기능적으로 조기 심근세포의 성상을 지니고 있으며 정 상 심장에 이식시 숙주 심근세포와 전기적으로 결합한다.13 면역거부반응의 문제점을 없앨 수 있는 이상적인 세포지 만, 실제 사용에는 종교적, 윤리적, 정치적인 장애가 있다. 2.2. 세포 투여경로 2.2.1 혈관을 경유하는 접근법 혈관을 통하는 전략은 화학주성인자와 세포접착물질의 발 현이 높은 최근의 심근경색에 재관류가 이루어진 경우에 사용한다.14 (1) 관상동맥 주입. 선택적으로 많은 양의 세포를 균질 하게 공급할 수는 있으나, 혈관이 폐쇄된 경우에는 효과 적인 세포전달에 한계가 있다. 심부전에서 세포치료의 전망 237 (2) 정맥 주입. 정맥주입된 세포들이 목표장기인 심장이 외의 장기로 분포되는 양이 많으므로 임상적으로는 제한 이 있다.15 (3) 줄기세포 또는 전구세포의 가동화. 급성 심근경색의 경 우 순환 줄기세포나 전구세포가 손상부위로 보충되므로,15 싸 이토카인에 의한 가동화가 심근회복의 비혈관적 투여법으 로 생각할 수 있다. 급성심근경색과 만성 허혈설심장에서 예비연구가 시행되고 있다. 2.2.2 심근내로 직접 주입 관상동맥혈관의 폐쇄가 심한 경우나 반흔조직과 같이 세 포의 심근 회귀 신호가 현저히 낮은 경우에는 관상동맥을 통한 세포 투여보다는, 심근 조직에 직접 투여가 효과적 일 수 있다. 그러나 허혈 또는 반흔조직 내에 국소적으로 이식된 세포는 혈류공급의 제한으로 세포 생존률이 나쁘 다. 그러나 크기가 큰 MSCs 또는 근육아세포는 동맥내 투 여시 미세색전을 유발할 수 있으므로 심근내 주입이 유리 하다. (1) 심내막 주입. 주입카테타주사바늘을 이용하여 심내막 에 바늘을 통하여 세포를 주입하거나, 전기기계 매핑 기 계 (NOGA* system)를 이용하여 심근조직의 생존여부를 검토하고 주입부위를 선택하여 세포를 투여한다.16 이 경 우 시술에 평균 60-200 분이 소요된다. (2) 심외막 주입. 관상동맥우회술시 보조적으로 시행하며, Table 1. Clinical trials of cell therapy in myocardial ischemia without revascularization option 238 반흔부위 또는 경색 인근 경계조직에 눈으로 직접 보면서 세포 주입을 한다. 관상동맥우회술이 동반된 경우로 세포 이식의 효과 판정은 어렵다. (3) 관상정맥 주입. 관상정맥 동을 경유하여 혈관초음파가 부착된 카테타로 세포를 심실벽에 수직으로 주입된다.17 허 혈 심근증환자를 대상으로 생존하지 않은 심근에 섬유아 세포를 을 주입한다. 2.3. 예비 임상 연구의 결과와 교훈 2000-2004년 사이의 조기 임상결과에서 심장회복을 위 한 세포 치료의 환자 대상군은 급성 심근경색과 만성 심 부전이었고, 각기 다른 세포, 투여경로를 사용하였다. 예를 들면 급성 심근경색에서는 전구세포 이식시 신생혈관 조 성과 심근 세포고사를 감소하여 심근경색후 재형성을 개 선시키는 것이 목적이었고, 장기 생착과 전이분화에는 큰 비중을 두지 않았다. 반면에 만성 허혈성 심장병에서는 동 면한 심근세포를 구제하는 것이 목적이고, 장기간 반흔조 직을 지닌 환자에서는 신생혈관조성과 심근 세포고사 감 소 등의 효과는 아직 알 수가 없다. 만성 허혈성 심질환이나 만성 심근경색에서는 세포치료 에 의한 심근 회복의 조기 결과는, 부분적으로는 이질적 인 환자 구성으로 인하여 임상 결과가 다양하였다 (Tables 1 및 2). 저자는 중증, 만성의 비가역성 심부전환자 (허혈 성 및 비허혈성 이완성심근증)를 대상으로 G-CSF로 가동 화한 자가 말초 혈액 줄기세포를 관상동맥내 주입으로, 일 부 환자들에서 좌심실 수축기능의 지표인 LVEF이 30%에 서 48%로 개선되고, 심부전 관련 증세가 호전되었고, 이 효과가 1년 이상 지속됨을 경험하였다. 최초에는 골격근 유래의 전구세포를 관상동맥 우회술중 좌심실의 반흔조직 부위에 직접 주사로 주입하였으며, 관 류기능의 개선은 판정이 어려웠으나,22 좌심실 기능은 의 의있게 지속적으로 개선되었다. 5년 이상 된 심근경색의 반 흔조직에 경도관으로 근육아세포를 투입하고, 재관류 시술 은 동시에 시행되지 않은 경우, 심부전증세는 일부 감소 하였지만, 좌심실기능이 개선된 객관적인 증거는 없었다. 오 히려 일부 환자에서는 세포 주입 후 치명적인 부정맥이 유 발하여, 추후 일부 환자에서는 심실 제세동기 시술이 필 요하였다. 이것은 생착된 골격근 근육아세포와 인접의 심 근세포와의 전기적 결합이 없는 것으로 설명하며, 인접된 심근세포와 융합으로 형성된 일부 하이브리드 세포의 결 합으로 공간에서 이질적인 칼슘 과도현상으로 뜻하지 않 은 부정맥이 유발할 수 있다고 추론한다. 재미있는 것은 만성 허혈성 심장환자를 대상으로 좌심실의 심내막을 전 기기계 매핑으로 동면 심근부위를 선택하여, 골수유래 전 구세포를 주입한 소규모의 한 임상연구에서는 좌심실 구 축률이 현저히 증가하고 수축기말 용적이 감소하고, 운동 능력이 개선되었다. 이는 혈류개선으로 인하여 이차적으로 동면 심근세포의 심기능이 개선된 것으로 생각되며, 세포 가 결여된 반흔조직에 비하여 동면 심근부위가 주입된 세 포의 생존과 생착에 적합한 미세환경을 제공한다. 심장 회복을 위하여 심근경색 후 초기, 후기등의 연구 가 진행되고 있다. 급성 심근경색에서 관상동맥을 통한 도 관을 이용하여 줄기세포를 주입하는 것은 안전성에 문제 가 없으나, 효능성에 있어서는 대규모의 무작위 이중 맹 검연구가 필요하고, 현재 유럽과 미국에서 연구 계획중이 다. 그러나 만성허혈성 심부전에서는 동면 심근부위를 찾 는 것이 좋은 임상연구 결과를 기대할 수 있겠다. 세포치료의 궁극적인 목표는 심장의 펌프기능을 개선하 여 심장을 회복하여, 유병률과 사망률을 감소시키는 것이 다. 안전성과 유효성을 제외하고는 임상적으로 우리가 살 펴야 할 것은 무엇인가? 허혈성 심질환에서는 심장을 치 료할수 있는 무기로서의 전구세포의 위치는 아직 미숙한 단계이다. 치료 대상으로 어떤 환자가 적합한지, 세포의 재 투여의 유용성은 있는지, 해결하여야 할 많은 숙제가 있 다. 더구나 비허혈성 심부전질환은 아직 미개척분야이다. 세포를 이용한 심근회복의 기전을 규명하기 위하여는 가 동화,30-32 회귀,33,34 신생혈관조성35 및 심근세포 분화36-40에 대한 세포 및 분자 생물학인 기전 규명이 필요하다. 현재 까지 인체의 세포이식후 심근재생을 입증하는 임상 연구 는 없었다. 심근회복을 위한 세포치료는 신생혈관조성, 반 흔조직의 개선, 세포 보호 등이 주요 작용이며, 전이분화 는 생각할 수 있는 기전이다. 전구세포는 신생혈관을 조 성하고 산소공급을 증진하고, 이들 세포는 특히 동면한 심 근세포를 치료하여 심장재생 및 기능개선에 도움이 되리 라 생각한다. 전구세포는 새로운 모세혈관 또는 혈관주변 세포와 생리학적으로 합동하여 신생혈관을 조성한다. 병합 된 많은 전구세포는 성장인자를 유리하여 성숙한 혈관내 피세포를 자극하여 혈관신생을 촉진한다. 어떤 전구세포는 새로 형성된 혈관의 생리적 요소가 되어 맥관신생에 영향 을 미칠 수도 있고, 또는 세포형태와 심장손상에 주요 요 인으로 영향을 미칠 수 있는데, 사람의 골수유래 맥관아 세포는 양자에 작용한다. 손상된 심근에서 국소적으로 단 백질을 분비하는 플랫폼으로 세포를 이용하는 유전자-세포 병합요법도 고려할 수 있다. 비심근세포에서 심근세포로의 분화의 가능성은 다능 전 구/줄기세포가 심근세포로의 분화의 가능성은 생쥐의 심근 에 착상된 배아줄기세포에서 시작되었다. 배종세포 중 한 가지 세포에서 전능성이 입증된 것이다. 생쥐와 사람의 배 아 줄기 세포에서 유래한 기능적인 심근세포는 여러 가지 기준에 의하여 입증되었다. 어떤 세포형태가 공여세포와 숙 주세포와의 세포융합으로 전이분화 형태를 띄우는지 또는 다양한 가능성을 지니는지, 세포의 유연성은 배양에서 단 심부전에서 세포치료의 전망 239 순히 획득되는 것인지 아니면 자연적인 생물학적 소산이 아닌지 그리고 정상적인 성숙과 건강한 성인에서 발달과 정은 손상 후 유연성과는 다른 기전이므로, 이들은 추후 규명하여야 할 과제들이다. 2.4. 부작용 성체줄기세포를 이용한 실험 동물에서는 부작용은 비교적 적게 발표되었다. 그러나 큰 크기의 중간엽세포를 개의 관 상동맥에 직접 주입한 결과 미세경색이 발생하였고, 전체 골 수세포를 투입한 쥐의 심장에서는 석회화 현상이 발견되었다. 임상 연구에서의 부적용은 골격근 근육아세포를 사용한 결 과, 세포주입 11-22일 사이에 심각한 심실성 부정맥이 유발 되었는데, 이는 잔존한 심근세포와 주입한 근육아 세포사이 에 갭졍션이 형성되지 않았거나, 두 세포 사이의 서로 다른 활동전위에 기인한 것으로 판단된다. 골수 유래 단핵구 세포 사용에서는 혈관성 종양 발생의 가능성을 배제할 수 없다. 그 러나 아직 임상 연구에서 이와 같은 부작용이 발견된 예는 없다. 그러나 G-CSF를 이용한 가동화된 말초 단핵구세포를 이용한 경우 관상동맥 스텐트 시술 후 재협착이 더욱 조장 되었다는 보고뿐 아니라,41 협심증환자에서 G-CSF사용 후 동 맥경화가 더욱 진행되었다는 보고가 있으므로 동맥경화가 진 행된 환자를 대상으로 세포가동화 전략에는 G-CSF사용 용 량, 기간 등에 많은 주의를 필요로 한다. 2.5. 극복하여야 할 과제 성체 심장에서 예견하지 않은 cardiopoietic 세포의 존재 와 비심근세포에 의한 효과적인 심장회복은 여러 가지 재 미있는 의문점을 제시한다. 그리고 세포치료가 임상에서는 걸음마 단계이지만, 벌써부터 여러 가지의 제한 요소가 해 결과제로 떠오르고 있다. 첫째는 이식된 세포가 심한 허 혈의 악조건인 미세환경에서 얼마나 생존할 것인가?42 전 구세포가 수적이나, 기능적으로 부족할 때 어떻게 전구세 포를 회복할 수 있는가?43 마지막으로 성체 심장형성 세 포가 심장을 만드는 동력을 규명하는 것이다. 궁극적으로 는 조직공학적으로 세포 기능을 강화시켜야 이들 제한점 을 극복할 수 있겠다. 3. 결 론 심근회복을 위한 심근재생 및 혈관신생의 줄기세포 연 구는 매우 활발하게 발전하고 있으며, 다른 장기에 비하 여 심혈관계질환에 대한 줄기세포의 임상 적용도 활발히 진행하고 있다. 줄기세포 연구와 관련된 문제들을 효율적 으로 해결하려면, 줄기세포의 기능성 개선뿐 아니라 이식 한 줄기세포와 숙주와의 상호작용 연구, 그리고 대상 질 환의 병태생리 연구가 병행되어야만 한다. 최근의 연구 속 도를 감안하면 가까운 시간 내에 보다 안전하고 유효성이 입증된 줄기세포 치료법으로, 만성 심부전등 심혈관계 난 치성질환의 치유가 곧 가시화할 수 있을 것이다. 감사의 글: 본 연구는 보건복지부 기능성 세포치료제 개 발 사업 (0405-DB01-0104-0006)의 지원에 의하여 이루어 져 이에 감사드립니다.