대한내분비학회지: 제 16 권 제 6 호 2001 □ 리 뷰 □
배아줄기세포 (Embryonic Stem Cell)
국립보건원 생명의학부 유전질환과
오범석·최동호·지승현
서 론
최근 들어 각광을 받기 시작한 세포치료법은 이미
오래 전부터 임상에 사용되어 왔던 치료법으로, 암 환
자를 방사선치료하기 전에 환자의 골수를 채취하였다
가 처리 후 다시 이식시켜 방사선에 의해 손상된 면역
성을 회복하도록 하고 있다[1].
그 뿐만 아니라 1987
년 스웨덴에서 파킨슨씨병을 치료하기 위하여 사산된
태아의 뇌세포를 환자에게 이식하여 파킨슨씨병을 치
료한 후 이 치료법은 산발적으로 사용되고 있다[2,3].
하지만 이러한 태아조직을 사용하는 치료법은 윤리적
인 문제 뿐만 아니라 세포의 확보에도 어려운 점이 있
으므로 일상적으로 병원에서 받을 수 있는 치료법은
아니다. 따라서 세포치료법으로 사용될 수 있는 세포
소스 (source)를 계속 찾아왔고,
최근 배아줄기세포를
비롯하여 각 장기에서 발견된 줄기세포를 이용하면 각
장기의 세포를 무한히 증식시킬 수 있다는 가능성과
조직공학기술을 이용하여 생체와 비슷한 물리적·기
능적 특성을 갖는 장기를 만들 수 있다는 가능성으로
인하여 세포치료법에 대한 기대감이 커지고 있다. 하
지만 아직까지는 줄기세포들이 세포치료법으로 사용
되기 위해서는 극복해야할 많은 난제를 안고 있다.
배아줄기세포 (embryonic stem cell)는 초기배아에
서 얻어진 세포주로서, 미분화상태로 세포증식이 가능
한 정상적인 비암화세포 (non-transformed cell)이다.
또한 포배 (blastocyst) 내에 다시 이식시켰을 때 다양
한 조직과 생식세포로 분화할 수 있는 다능성 (pluripotent)
을 갖고 있다.
따라서 세포배양을 통하여 무한
대로 배아줄기세포를 공급할 수 있으며, 이론적으로는
모든 조직의 세포로 분화시킬 수 있으므로 세포치료법
의 가장 훌륭한 소스로 인정받고 있다.
그 외에도 배아
줄기세포는 유일하게 homologous recombination에 의
한 유전자적중 (gene targeting)이 가능하여 유전자조
작(gene manipulation)을 통하여 보다 우수한 세포를
만들 수 있으며, 핵 치환에 의하여 자기 자신의 배아줄
기세포를 만들어 세포치료법의 문제점인 면역거부반
응을 근원적으로 해결할 수 있다.
하지만 배아줄기세
포는 세포주의 확립에 있어서 배아를 이용하기 때문에
윤리적인 문제가 있고 더욱이 핵 치환을 적용하기 위
해서 배아복제가 이루어져야 하기 때문에 이에 대한
사회 각계의 반대가 많다.
하지만 이러한 문제점을 안
고도 배아줄기세포에 대한 연구가 활발히 지속되는 이
유는 그만큼 배아줄기세포가 다른 성체의 줄기세포와
비교하여 갖는 장점이 많기 때문이다.
본 론
1. 다능성 줄기세포들 (pluripotent stem
cells)
초기 마우스배아 (수정 후 1∼7일된 배아)를 정소나
신장과 같은 자궁 외 기관에 이식하게 되면 기형암종
(teratocarcinoma)이 생기는데 이 종양으로부터 얻은
세포주를 배아암종세포 (embryonic carcinoma cell,
EC cell)라 부른다(Fig. 1)[4].
배아암종세포는 포배강(blastocoel cavity)에 주입하여 새로운
개체를 발생시켰을 때 생식세포를 포함하는 모든 조직세포로분화하
는 다능성을 가진 세포주이다. 하지만 배아암종세포는
암세포로서 세포주마다 그 특성이 달라 연구에 사용하
기에는 여러 가지 제한이 많았다.
따라서 정상적인 세
포인 포배의 inner cell mass (ICM)로부터 세포주를
얻기 위한 시도가 마침내 1981년 Martin에 의해 성공
하였고 마우스에서 처음으로 배아줄기세포가 확립되
었다[5]. 이 당시는 배아줄기세포의 배양을 위하여 배
아암종세포의 배양액을 첨가하여 배아줄기세포의 분
화를 억제하고 세포증식을 촉진시켰다.
그 후 다양한
배양법이 개발되었고, 지난 10년 동안 배아줄기세포는
유전자적중 마우스제작을 위하여 널리 사용되어 왔으
며 따라서 안정된 세포배양법과 다양한 세포주가 확립
되었다. 1995년 Thomson에 의하여 영장류의 원숭이
(rhesus monkey)에서 배아줄기세포가 확립되었으며
마침내 1998년 역시 Thomson에 의하여 사람의 배아
줄기세포주가 확립되었다[6,7].
다능성을 갖는 세포주
는 이 외에도 배아생식세포 (embryonic germ cell, EG
cell)가 있는데, 배아발생 중 생성된 시원생식세포
(primordial germ cell)를 세포주화 시킨 것으로 미분
화상태로 세포증식이 가능하며 모든 장기로 분화 가능
하여 배아줄기세포와 마찬가지로 세포치료법의 중요
한 세포소스로 주목받고 있다.
1998년 Johns Hopkins
University의 John Gearhart에 의해 처음으로 사람의
EG 세포주가 확립되었으며 이 세포주를 이용하여 분
화시켰을 때 배아줄기세포와 마찬가지로 다양한 세포
로 분화되는 것이 관찰되었다[8,9].
2. 배아줄기세포의 확립
마우스에서 배아줄기세포를 확립하는 일은 마우스
의 종과 임신한 암컷의 상태에 따라 생산의 효율이 다
를 뿐만 아니라 확립된 배아줄기세포의 특성도 조금씩
다른 것으로 알려져 있다.
마우스의 경우 129, C57BL/6,
또는 F1 hybrid가 많이 쓰이고 있으며 C57BL/6종에
서 확립된 배아줄기세포의 경우 129종에서 확립된 배
아줄기세포에 비하여 키메라 (chimera)나 생식세포로
전환될 확률이 적은 것으로 알려져 있다.
배아줄기세포는 착상전의 배아인 포배에서 얻어지
는데 포배는 약 150개 정도의 세포로 구성되어 있으며
내부는 빈 공간 (blastocoel cavity)으로 차있으며 바깥
쪽의 벽을 이루는 한 층의 세포를 trophectoderm이라
하며 내부의 세포덩어리를 inner cell mass (ICM) 또
는 epiblast라 한다(Fig. 1).
마우스의 포배를 얻는 방
법으로는, 수정란을 체외에서 배양하여 포배로 발생시
키거나 임신된 마우스에서 직접 포배를 추출할 수 있
다.
대개의 경우 많은 수정란이나 포배를 얻기 위하여
과잉배란 (superovulation)을 시키는데, pregnant mare's
gonardotrophin (PMSG)을 주사하고 48시간 후에
human chorionic gonadotrophin (HCG)을 주사한 후
수컷과 교배시켜 다음날 교미플럭 (copulation plug)의
확인을 통하여 임신여부를 결정한 후 임신된 암컷을
희생시켜 난관에서 수정란을 얻는다[10].
포배를 얻기
위해서는 임신후 3.5일 된 암컷을 희생시켜 난관과 자
궁으로부터 배양액을 분출시켜 추출한다. 배아줄기세
포주를 확립시키는 첫번째 단계는 포배의 ICM을 얻는
일인데 이 단계는 ICM을 둘러싸고 있는 trophectoderm을
제거하기 위하여 다음의 두 가지 방법이 널리
사용되고 있다.
첫번째 방법은 항체 (rabbit anti-mouse
antibody)와 complement 단백질 (guinea pig complement)
을 이용하여 ICM을 둘러 싸고 있는 trophectoderm
만을 특이적으로 제거하는 미세수술 (microsurgery)
방법이고[11],
두번째는 포배를 배양접시에 키우게 되
면 trophectoderm 세포는 바닥에 붙고 그 위에 ICM
세포들이 자라게 되는데 계대 배양할 때 ICM의 군체
(colony) 만을 마이크로피펫을 이용하여 옮겨 주는 방
법이다 (Fig. 2)[10].
피펫을 이용하여 ICM 군체를 몇
개의 작은 덩어리로 부순 후 마우스 embryonic
fibroblast feeder (MEF) 세포 위에 옮겨 키운다. 1주
동안 MEF 위에서 키운 ICM 군체들을 다시 MEF 위
에 계대 배양시켜 계대(passage)를 늘려 가면 배아줄
기세포주를 확립하게 된다.
마우스의 경우 MEF는
13.5∼16.5일된 배아에서 추출된 섬유아세포 (fibroblast)
를 사용할 수도 있고 세포주화된 MEF를 사용하기도
하는데 다양한 종류의 세포주가 있다.
인간의 초기 배아발생은 크게 마우스와 다르지 않으
며 다만 마우스에 비해 다소 발생이 늦어 수정란을 체외
에서 5∼6일간 배양해야 포배강(blastocoel cavity) 포배를
얻을 수 있다. 포배강이 형성되면 대략 200∼250개의 세
포로 구성되어 있으며 이 중 ICM은 30∼34개로 구성되
어 있다.
대체적으로 배아줄기세포를 확립하는 법은 마
우스의 배아줄기세포와 크게 다르지 않으나 인간배아줄
기세포를 처음으로 확립하여 발표하였던 Thomson의 방
법을 주로 따르고 있다. 즉 항체와 complement 단백질을
이용하여 미세수술방법에 의해 trophectoderm 세포를 제
거한 ICM을 MEF 위에 키워 확립한다[7,12].
3. 배아줄기세포의 특성
포배를 이루는 영양아층 (trophectoderm)은 배체외
역(extra-embryonic region)으로 발생 후 태반을 만들고,
ICM은 배체역(embryonic region)으로 발생 후 삼배엽
을 형성하여 개체를 만든다.
ICM으로부터 유래된 배아
줄기세포는 삼배엽의 모든 세포를 형성하여 생식세포를
포함한 모든 장기의 세포로 분화될 수 있다는 것이 실
험적으로 증명되어 있다. 배아줄기세포는 정상적인 핵
형(karyotype)을 갖으며 이배체(diploid) 상태이며, ICM
과 같이 다능성과 관련된 전사인자 (transcription factor)
인 Oct-4가 발현되며 alkaline phosphatase의 활성이
강하다[7].
하지만 배아줄기세포의 분화가 이뤄지면
Oct-4의 발현은 억제되며 alkaline phosphatase의 활성
도 감소한다. 그 뿐만 아니라 배아줄기세포는 세포주
기 (cell cycle)의 G1 checkpoint가 결여되어 세포주기
중 대부분의 시간을 S phase에서 보내게 되며 이는 체세
포(somatic cell)와 현저한 차이를 보인다[13,14].
또한
체세포에서 나타나는 한 X 염색체의 비활성 (inactivation)
이 나타나지 않고 두 개의 X 염색체에서 유전
자가 발현되며, 정상적인 체세포에서 보이는 세포증식
에 의한 telomerase의 활성도감소가 관찰되지 않는다.
4. 인간배아줄기세포와 다른 포유류배아줄기세포와의 비교
인간배아줄기세포와 다른 포유류 배아줄기세포의
확립과정은 크게 다르지 않지만 특성에 있어서는 차이
가 있는 것으로 알려져 있다.
분화되지 않은 배아줄기세
포를 확인할 수 있는 표지인자가 몇 가지 알려져 있는
데 배아줄기세포 마다 발현양상에서 차이를 갖는다. 인
간배아줄기세포에서는 stage-specific embryonic antigen
(SSEA)-1이 발현되지 않고 SSEA-3, -4, Tra-1-60,
Tra-1-81 등은 발현되고 반면에 마우스배아줄기세포에
서는 SSEA-1만 발현되고 나머지 표지인자들은 발현
되지 않는다[7].
그 외에도 alkaline phosphatase,
Oct-4 등의 미분화배아줄기세포 marker들은 둘 다 발
현되고 키메라형성 이나 기형암종 (teratoma)형성,
telomerase의 활성도 등도 동일하게 관찰된다.
배양 시 관찰할 수 있는 가장 큰 차이는 MEF에 대
한 의존도인데 마우스배아줄기세포의 경우 배양액에
LIF를 처리하게 되면 MEF 없이 미분화상태로 증식시
킬 수 있으나 인간배아줄기세포는 MEF의 도움이 필
요한 것으로 알려져 있다.
하지만 최근 인간배아줄기
세포에서도 Matrigel과 마우스 MEF의 conditioned
medium을 이용한 배양법이 개발되어 곧 MEF 없이
인간배아줄기세포의 배양이 가능할 수 있을 것으로 전
망되어 사람에게 세포이식 시 마우스세포가 섞여 들어
가는 것을 막을 수 있을 것이다.
그 외에 배양 시 다른
점은 마우스배아줄기세포는 세포가 서로 빈틈없이 부
착되어 전반적으로 둥근 colony를 형성하는데 인간배
아줄기세포는 상대적으로 납작하고 세포들의 부착정
도가 떨어지는 양상을 보여준다. 그리고 여러 가지 성
장인자에 대한 반응이나 배양시간에 따른 세포모양 및
유전자발현 등의 차이는 아직까지 체계적으로 연구되
어 있지 않다.
5. 배아줄기세포의 분화방법
배아줄기세포를 세포치료법에 사용하기 위해서는
우선 원하는 조직의 세포로 분화를 시켜야 하는데 세
포치료법개발 중에서 가장 큰 노력이 필요한 부분이
다.
배양조건에서 MEF를 제거하고 분화를 막기 위하
여 첨가하는 leukemia inhibitory factor (LIF)를 빼고
나면 배아줄기세포는 자연적으로 분화를 시작하는데
이때 박테리아 배양접시와 같이 소수성을 갖는 배양접
시에 키우게 되면 바닥에 붙지 못하고 배아줄기세포
끼리 붙어 약 1 mm 이하 크기의 세포덩어리가 생기는
데 이를 embryoid body (EB)라 한다(Fig. 3).
이러한
부유배양법을 통하여 분화시킨 EB상태의 배아줄기세
포는 다양한 전구세포 (precursor cell)와 심근세포
(cardiac myocyte), 신경전구세포 (neural precursor cell),
혈액세포 (blood cell) 등이 보이며, EB의 바깥쪽에는
내배엽과 특성이 유사한 세포층을 형성하고,
안쪽에는
중배엽과 외배엽의 특성을 갖는 세포들로 구성되어 마
치 삼배엽을 갖는 배아와 같은 구조를 갖는다[15].이
외에도 배아줄기세포를 배양접시에 부착시켜 분화시
키는 부착배양법 (adherent culture)을 사용하기도 하는
데 이는 주로 조혈모세포(hematopoietic cell)의 분화
에 많이 사용되고 있다.
많은 경우 1차적으로 부유배
양법을 이용하여 EB를 형성시킨 후 다시 부착배양법
으로 어느 정도 분화된 배아줄기세포를 배양접시에 부
착시켜 유도제를 비롯한 여러 가지 처리를 통하여 배
아줄기세포를 특정세포로 분화시키고 있다.
배아줄기
세포의 분화방법으로는 지금까지 유전자조작법, 유도
제 처리법, coculture법, 세포분리법 등을 사용하고 있
다. 각각의 분화방법은 장단점이 있어 여러 방법들을
적절히 혼합하여 완벽한 분화를 시도하고 있다.
1) 유전자조작을 통한 배아줄기세포의 분화
1996년 Field group은 배아줄기세포를 심근세포
(cardiomyocyte)로 분화시키기 위하여 심근세포에서
특이적으로 발현되는 myosine heavy chain (MHC)의
프로모터 (promoter)에 neomycine resistance 유전자인
aminoglycoside phosphotransferase를 붙인 키메릭 유
전자 (chimeric gene)를 배아줄기세포에 트렌스펙션
(transfection)시켰다[16].
이렇게 확립된 배아줄기세포
주를 자연 분화시킨 다음 neomycine으로 처리하게 되
면 99% 이상의 순도를 갖는 심근세포를 얻을 수 있다.
비슷한 방법으로 인슐린유전자의 프로모터를 이용하
여 췌장의 β-세포로 분화시켰으며, Sox2 프로모터를
이용하여 신경계세포를 얻었다[17,18].
유전자조작을
통한 배아줄기세포의 분화는 방법적으로만 보면 가장
효과적이고 확실한 방법이라 할 수 있으나 삽입된 유
전자가 유전체에 무작위로 삽입되기 때문에 삽입에 의
한 유전자변이가 문제될 수 있을 뿐만 아니라 항생제
를 이용한 무리한 유도선택을 통하여 세포의 변이를
유도할 가능성이 있어 이의 검증이 요구된다.
2) 유도제를 이용한 배아줄기세포의 분화
배아줄기세포에 retinoic acid를 처리하거나 basic
fibroblast growth factor (FGF2), epidermal growth
factor (EGF), platelet-derived growth factor (PDGF)
를 단계적으로 처리하게 되면 신경세포를 얻을 수 있
다[19,20].
또한 cytokine을 이용한 조혈모세포의 분화
[21], 1α, 25-dihydroxyvitamine D3를 이용한 파골세
포 (osteoclast)의 분화[22], BMP-2와 BMP-4를 이용
한 연골세포(chondrocyte)의 분화[23], retinoic acid와
dibutyly cAMP를 이용한 평활근세포 (smooth muscle
cell)의 분화유도가 보고 되어 있다[24].
유도제를 이용
한 배아줄기세포의 분화는 가장 보편적인 방법으로,
배양액에 첨가된 유도제는 배아줄기세포의 특정유전
자를 발현시켜 성장·분화조건을 바꾸어 특정세포로
의 분화를 촉진시킬 수 있다. 하지만 아직까지는 각 조
직세포의 분화를 유도하는 다양한 유도제가 밝혀지지
않아 새로운 유도제의 개발이 절실하다.
3) Coculture를 통한 배아줄기세포의 분화
배아줄기세포를 신생두개골기저세포주 (new-born
calvaria-derived stromal cell line)인 OP9 세포주가
Fig. 3. 배아줄기세포의 분화를 위한 배양법 (x100).
깔려있는 monolayer 위에 배양하게 되면 조혈모세포
로 분화한다. 이 조혈모세포를 다시 macrophagecolony
stimulating factor (M-CSF)를 분비하는 골수
기저세포주 (bone marrow-derived stromal cell line)인
ST2 위에서 키우게 되면 조혈모세포는 조성이 변하지
않는 상태에서 세포증식을 하게 된다[22]. 이와 같이
배아줄기세포를 기질세포주 (stromal cell line)가 깔려
있는 monolayer 위에 키우게 되면 주로 조혈모세포로
분화되는데, 아직까지는 다양한 세포주를 이용한
coculture가 보고 되어 있지 않아 coculture에 의한 배
아줄기세포의 분화가능성에 대해서는 앞으로 많은 연
구가 필요하다.
4) 세포 분리법을 이용한 배아줄기세포의 분화법
혈관내피세포성장인자 (vascular endothelial growth
factor)의 수용체인 Flk1의 항체를 이용하여 분화된 배
아줄기세포에서 FACS (fluorescence activated cell
sorter)를 통하여 Flk1-positive 세포를 얻어 혈관내피
세포성장인자를 처리하게 되면 이 세포들은 혈관을 형
성한다[25]. 또한 자연 분화된 배아줄기세포에서 Pgp-1
과 Lin 항체를 이용하여 Pgp-1+Lin- 세포를 분리하게
되면 초기단계의 조혈모세포를 얻을 수 있으며, 분화
된 조혈모세포 중 CD34-positive 세포를 분리하면 조
혈모세포의 순도를 높일 수 있다[21,26].
이와 같이 조
직특이성을 갖는 세포막표지단백질 (cell surface marker
protein) 항체를 사용하여 분화된 배아줄기세포로부터
특정조직의 세포를 골라낼 수 있는데 이 방법은 특정
세포의 순도를 높일 수 있어 이식 후 암세포화
(tumorogenesis)가 될 수 있는 가능성을 최소화시킬
수 있다.
또한 전구세포 (precursor cell)에 대한 항체가
있는 경우 이 항체를 이용하여 전구세포를 얻어낸 후
유도제를 처리하여 특정기능을 갖는 세포 (effector cell)
로 분화시킬 수 있으나, 아직 각 조직세포의 특이적 항
체가 충분히 마련되어 있지 않아 다양한 세포막표지단
백질 항체의 개발이 요구된다.
6. 배아줄기세포의 분화
포배의 ICM은 자궁에 착상한 후 내배엽, 중배엽,
외배엽으로 분화하여 개체를 형성하므로 이론상으로
ICM으로부터 유래된 배아줄기세포는 모든 세포로 분
화할 수 있는 가능성을 갖고 있으며 적절한 분화법이
확립된다면 실제로 가능할 것이다 (Fig. 4).
체내·외
실험을 통하여 지금까지 보고된 배아줄기세포로부터
분화된 세포들을 각 배엽별로 정리하면 다음과 같다.
외배엽은 크게 신경절 (ganglion)을 형성하는 신경
제세포 (neural crest), 뇌나 척수를 형성하는 신경관
(neural tube), 감각계를 형성하는 표피판 (epidermal
placodes),
표피 (epidermis) 등으로 나눌 수 있는데,
이들 외배엽으로부터 유래된 조직세포 중 신경세포
(neuron), 성상세포 (astrocyte), 희돌기세포 (oligodendrocyte)
등이 배아줄기세포로부터 보고 되었고 이들
세포를 생체에 이식하였을 때 손상된 신경계세포들을
대신하여 기능을 할 수 있다는 것이 보고 되었다.
배아
줄기세포에서 얻어진 신경세포는 마우스모델에서 손
상된 척수를 치료할 수 있었을 뿐만 아니라 마이엘린
(myelin)이 결핍된 쥐에서 신경세포의 축삭돌기 (axon)
에 마이엘린을 재생시켰다[19,20]. 또한 도파민분비신
경세포를 효과적으로 생성하여서 파킨슨씨병의 치료에
배아줄기세포가 쓰일 수 있다는 것을 보여주었다[27].
중배엽은 척삭 (notocord)을 형성하는 축중배엽(axial
mesoderm), 근육을 형성하는 근축중배엽 (paraxial
mesoderm), 생식기를 형성하는 중간중배엽 (intermediate
mesoderm), 복강과 혈액세포를 형성하는 외측중
배엽 (lateral mesoderm) 등으로 분화하는데, 이들 중
배엽세포 중 심근세포, 혈액세포, 혈관, 골격근육
(skeletal muscle), 연골세포 (chondrocyte), 조골세포
(osteoblast), 파골세포 등이 보고 되었다. 배아줄기세
포에서 얻어진 조혈모세포를 방사선처리에 의해 조혈
모세포가 제거된 마우스에 이식하게 되면 림프계
(lymphoid), 골수양계 (myeloid), 적혈구계 (erythroid)
세포들을 재구성할 수 있다[21]. 또한 배아줄기세포에
서 얻어진 Flk1-positive 세포는 혈관내피세포와 혈관
근육세포로 분화하여 체외 및 체내에서 혈관과 같은
구조를 만든다[25]. 이 결과는 배아줄기세포가 각각의
세포로 분화됨은 물론이고 일정한 조직을 자연스럽게
형성할 수 있음을 보여준다. 또한 배아줄기세포에서
분화시킨 심근세포를 이영양증 (dystrophy) 마우스의
심장에 이식시켰을 때 이식된 세포는 장기간 살아있어
배아줄기세포는 심근세포이식에 사용될 수 있다는 것
을 증명하였다[16]. 또한 흔히 배아줄기세포의 자연분
화 결과 관찰되는 수축세포군 (contracting cell cluster)
을 조사한 결과 혈관평활근세포 (vascular smooth
muscle cell)에서 나타나는 MHC의 isoform을 발현하
고 있을 뿐만 아니라 특이적인 ion channel을 갖고 있
으며 혈관 평활근의 길항물질 (agonist)에 반응하는 것
으로 보고 되어 있다[24].
내배엽으로는 원장 (primitive gut)을 통하여 폐, 갑
상선 (thyroid), 소화관 (digestive tube), 간, 췌장, 방광
등을 형성한다. 이들 내배엽 조직 중 소화관과 췌장세
포만이 보고 되어 있다. 배아줄기세포는 자연발생적으
로는 내배엽계세포로 분화가 적은 것으로 알려져 있으
나 최근 유도분화된 배아줄기세포에서 췌도 (pacreatic
islet)와 유사한 구조를 관찰하였으며 이 세포를 당뇨
병모델마우스에 주사하여 생체에서 인슐린을 분비하
는 것을 확인하였다[28]. 또한 유전자조작법을 이용하
여 분화시킨 β-세포는 생체 외(in vitro)에서 인슐린을
분비할 뿐만 아니라 당뇨모델마우스에 이식시켰을 때
과혈당 (hyperglycemia)을 1주 이내에 치료할 수 있었
다[17]. 그 뿐만 아니라 자연 분화된 배아줄기세포에
서 α-fetoprotein과 albumin을 발현한다는 것이 보고
되어 간세포( hepatocyte)로의 분화도 얼마든지 가능하
다는 것이 밝혀졌다[29, 30].
인간배아줄기세포의 분화연구는 1998년 Thomson
에 의해서 확립된 이후 활발한 연구가 진행되고 있다.
인간배아줄기세포도 생체에 이식하게 되면 삼배엽의
다양한 조직세포로 분화되어 다능성을 갖고 있음을 보
여주었으며 성장인자 처리에 의하여 분화가 유도됨을
확인하였다[7,12,31]. 또한 골수기저세포나 난황낭내피
세포 (yolk sac endothelial cell line)와 coculture 시킨
결과 조혈모세포로 분화하였으며 적절한 성장인자를
처리하게 되면 특징적인 골수양계, 적혈구계, 거핵구
계세포 (megakaryocyte)군체를 형성하였으며, 자연 분
화된 인간배아줄기세포에서 인슐린을 분비하는 세포
가 확인되었다[26,32]. 지금까지의 결과로 미루어 보면
Fig. 4. 생체 이식 후 분화된 배아줄기세포 (x400, Hematoxylin & Eosin 염색). nude 마우스
의 지라에 배아줄기세포를 이식한지 3주 후 형성된 배아줄기세포 기형암종을 파라
핀으로 embedding시켜 관찰된 세포들. A, pancreatic acinus cells; B, striated muscle;
C, gut-like cells; D, chondrocytes.
인간배아줄기세포는 마우스배아줄기세포와 같은 방법
으로 유도 분화시킬 수 있으며, 따라서 마우스줄기세
포를 이용하여 얻어진 결과들이 인간배아줄기세포의
분화에 그대로 적용될 수 있을 것이다.
아직까지는 마
우스배아줄기세포에 비교하여 인간배아줄기세포를 이
용한 연구는 일부 연구실에서 제한적으로 이뤄지고 있
으나, 인간배아줄기세포의 결과는 그 파급효과가 크기
때문에 짧은 기간 안에 많은 연구결과가 나올 것으로
생각한다.
7. 배아줄기세포의 활용
배아줄기세포가 활용될 분야 중에서 가장 많이 언
급되는 것은 단연 세포치료법이다. 세포치료법의 기본
개념은 질병이나 사고에 의한 장기손상을 배아줄기세
포에서 완전히 분화된 세포를 이용하여 치유하려는 새
로운 개념의 분야이며 현재 파킨슨씨병, 당뇨, 사고에
의한 척수손상, 각종 근육질환, 심장질환 등에서 활발
히 연구가 진행되고 있다. 이러한 질병들을 치료하기
위해서는 배아줄기세포를 이식이 가능하게 완전히 분
화시키는 것이 중요한데 현재 배아줄기세포를 이용하
여 분화시킬 수 있는 세포의 종류는 제한되어 있다.
배아줄기세포는 완전히 분화되지 않은 세포를 이식
하게 되면 생체 내에서 종양을 만들 수 있기 때문에
세포이식을 하기 전에 미분화된 세포를 완전히 제거할
수 있는 방법을 개발하는 것이 중요하다. 또 다른 방법
으로는 이식 후 자살유전자를 이용하여 분화되지 않은
배아줄기세포를 선택적으로 제거할 수 있는 방법도 유
용할 것이다. 이식술에서 가장 문제가 될 수 있는 면역
거부반응도 배아줄기세포를 이용한다면 극복할 수 있
는데 제1형 조직적합성이 같은 배아줄기세포를 유전
자 조작을 통해 만들어 내거나 처음부터 조직적합성에
따른 배아줄기세포의 은행을 만들어 사용하는 것도 거
론되고 있다. 더 나아가서는 체세포 핵 치환을 통하여
자기 자신의 배아줄기세포를 만든 후 분화시켜 면역거
부반응 없이 질병을 치료할 수 있는데 이 방법을 치료
복제법 (therapeutic cloning)이라 한다 (Fig. 5)[33].
하지만 이 경우 인간의 배아복제가 되므로 윤리적으로
문제를 일으킬 소지가 크다.
그 외에 배아줄기세포를 이용할 수 있는 곳은 초기
배아발생 연구를 통하여 선천성 질환이나 태반 이상으
로 인한 초기 유산의 유전적, 분자생물학적, 세포학적
원인을 찾아서 미리 방지할 수 있는 방법을 개발할 수
있다. 또 이런 배아줄기세포들은 염색체 이상에 의한
초기발생 이상에 대한 연구에도 쓰일 수 있어 배아세
포에서 기원된 많은 유년기 종양의 원인발견에도 도움
을 줄 수 있다.
최근에는 신약개발의 전임상실험에 사용될 수 있는
가능성이 제기되었는데 현재에는 신약이 개발된 후에
안전성 및 유효성 등을 확인할 때 동물실험이나 특정
인간세포주를 사용하게 되는데 이들 모두 사람의 생체
와 효과가 같다고 볼 수 없어서 만약 배아줄기세포에
서 특정기관의 세포로 분화가 가능하다면 그 세포들을
전임상실험에 이용하여 보다 생체와 비슷한 결과를 얻
을 수 있어 안전하고 값싼 약제 검색방법으로 사용될
수 있을 것이다. 그밖에도 여러 가지 생물학적인 독성
들에 대한 검색에도 배아줄기세포에서 분화된 세포가
사용될 수 있어 다른 동물이나 세포주를 이용하는 것
보다 더 확실한 체외 실험모델이 될 수 있다.
마지막으로 유전자치료에도 효과적으로 배아줄기세
포가 사용될 수 있다. 유전자치료는 치료효과가 있는
유전자를 바이러스에 부착한 후 직접 생체에 투여하여
서 효과를 보는 방법과 생체 내에서 유래된 세포, 특히
여러 종류의 성체줄기세포 (adult stem cell)에 주입한
후에 증식시켜서 수혜자에게 다시 주사하는 소위 ex
vivo 유전자치료법 등이 있다. 하지만 후자의 경우 성
체줄기세포의 추출과 체외배양이 쉽지 않기 때문에 주
로 조혈모세포에 한정되어 있다. 배아줄기세포를 ex
vivo 유전자치료법에 사용할 경우 무제한적인 세포를
공급받을 수 있을 뿐만 아니라 유전자조작법도 homologous
recombination에 의해 유전자 knock-out,
knock-in 등 다양하여 point mutation의 수정, duplication,
insertion, deletion 등 다양한 유전적 변형이
가능하여 보다 효율이 높은 세포를 공급할 수 있다.
8. 배아줄기세포연구의 윤리적 사회적 고려
해마다 수백만명의 사람들이 신경계 (예를 들면
Parkinson's diseases, multiple sclerosis and stroke),
심장 (myocardiac infaction), 간 (hepatitits). 췌장
(diabetes) 등 다른 여러 기관 등과 관련된 심각하고
거대한 불치의 퇴행성 질환으로 인해 고통 받고 결국
엔 죽는다. 줄기세포치료는 이러한 질병들을 치유할
수 있지만 배아로부터 유래된 줄기세포는 결국 인간배
아의 파괴와 가능한 의학적 이익의 극대화 사이에서
윤리적인 충돌을 피할 수 없다.
In vitro fertilization (IVF) 처리를 수행하는 부부들
은 가끔 더 이상 필요치 않은 배아를 갖는다. 그들은
배아를 죽게 내버려두든지 또는 다른 부부에게 기증하
거나 혹은 연구를 위해 기증할 수 있는 선택을 갖는다.
수정난이 신생아나 어른과 동등한 절대적인 도덕적 가
치를 갖는다고 믿는 사람들에게는 어떤 배아연구도 마
치 살인과 동등하게 윤리적으로 받아들일 수 없는 것
이다. 그러나 배아연구가 윤리적으로 받아들일 수 있
는 지 없는지 판단할 때는 사용될 배아의 발달단계나
연구의 목적이 고려되어야 한다. 인간 배아연구를 허
용하는 국가는 연구에 대한 배아의 발달단계를 분명히
제한하고 있으며 임상관련 목적에 대해 법으로 정하고
있다.
줄기세포는 배아에서 뿐만 아니라 성인 또는 태아
에서 추출이 가능하다. 윤리적인 관점에서 볼 때, 치료
를 위한 성체에서의 세포분리는 골수이식 (bone
marrow transplantation), 장기이식 (organ transplantation)
등 이미 폭 넓게 사용되고 있으며 적절한 지침
에 따라 수행되고 있다. 하지만 선택적인 임신을 윤리
적으로 받아들일 수 없는 사람은 연구나 치료를 위하
여 태아로부터 조직을 사용하는 것을 받아들이기가 어
려울 뿐만 아니라 성체와 태아로부터 얻어진 줄기세포
는 그 공급량이 극히 제한되어 있어, 이 세포들이 안정
적으로 핵형 (karyotype)을 유지하며 세포배양을 통하
여 대량으로 증폭되지 않는 한 퇴행성 질환의 세포치
료에 대한 실질적인 접근을 제공할 수 없다. 따라서 성
인과 배아줄기세포의 연구가 대등하게 이뤄져야 더 많
은 이익을 다양한 질병치료를 위하여 얻을 수 있을 것
이다.
배아줄기세포는 무한하게 증식되기 때문에 원칙적
으로 보면 지금까지 확립된 64개의 인간줄기세포를 사
용하여 전 세계적으로 임상적인 가치가 있는 연구를
가능하게 할 수 있고 이것이 미국의 배아줄기세포에
대한 정책의 기조이다. 따라서 더 이상의 인간배아줄
기세포의 확립에 대한 미국정부의 지원이 없을 것이라
하였다. 하지만 물질특허, 상업적 비밀 등 관련된 이슈
가 이들의 사용을 제한하였을 뿐만 아니라 이들 64개
중 입증된 인간배아줄기세포는 극히 일부분에 지나지
않다. 따라서 일본, 이스라엘, 싱가포르, 인도와 몇몇
다른 아시아 국가들처럼 유럽의 대부분 국가들은 인간
의 배아줄기세포의 유도를 허가하는 방향으로 움직이
고 있다.
결 론
배아줄기세포는 초기배아인 포배에서 확립한 다능
성 세포주이다. 따라서 조직공학의 발달과 세포배양법
의 발달로 인하여 인공장기를 대체할 수 있는 새로운
혁신적인 치료법으로 부상하고 있다. 하지만 세포치료
법이 통상적인 임상치료법으로 확립되기 위해서는 세
포주 확립법, 분화법, 세포이식법, 핵 치환법 등 개발
되어야 할 많은 과제를 안고 있다. 이 중 특히 세포분
화법이 가장 큰 bottleneck 인데 분화를 위한 지금까지
사용된 EB로의 분화법은 유도제처리가 어렵고 세포사
멸 (apoptosis) 등 극복해야 할 문제가 많다. 또한 특정
세포로 분화를 유도할 수 있는 유도제가 제한되어 있
어 보다 다양한 유도제의 발굴이 요구되며, 분화된 세
포를 분리할 수 있는 세포 특이적 항체가 요구된다. 결
국 여러 가지 분화법들을 적절히 혼합하여 이식하는
세포의 순도를 높이고 암으로 전이할 확률을 낮추고
그 기능을 유지할 수 있도록 하는 것이 중요할 것이다.
세포치료법은 유전자치료법을 접목하여 보다 낳은
세포주를 개발하여 이식의 효과를 증대시키고 경우에
따라서는 homologous recombination을 이용한 유전자
변이를 통하여 선천성 유전질환의 치료에 이용될 수
있다. 면역거부를 최소화하기 위하여 면역적합성을 통
한 배아줄기세포주은행의 설립과 더 나아가 핵 치환에
의한 자신의 배아줄기세포확립도 모색되어야 할 것이
다. 마지막으로 줄기세포치료법이 아무리 의학적인 기
대가 크더라도 초기 인간배아의 파괴를 수반하기 때문
에 줄기세포의 어떠한 이용도 적당한 과학적, 윤리적
평가를 거쳐야 할 것이다.