지방줄기세포 발모 및 기능 조절 성장인자 발견
국내 연구진이 지방줄기세포*를 이용한 탈모 치료제 개발의 실마리를 찾아냈다. 특정 성장인자**가 들어있는 배양액에서 배양한 지방줄기세포를 생쥐에 주사한 결과 모발 성장이 3배 이상 촉진된 것이다.
* 지방줄기세포 : 지방조직은 지방세포 외에 미세혈관 내피세포, 내막세포, 섬유모세포, 근육세포, 지방전구세포 등으로 구성되는데 최근에는 간엽줄기세포가 적절한 환경에서 연골, 골, 근육, 지방으로 유도된다는 사실이 보고되어 특히 주목받고 있다.
** 성장인자 : 세포의 성장과 분화에 관여하는 단백질, 성장인자는 정상세포주기에 필수적이고 조직의 유지 및 보수에 중대한 역할을 한다.
연세대 약학과 성종혁 교수가 주도하고 김지혜, 김왕균 연구원이 참여한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 신진연구자지원사업(신진연구)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 줄기세포 분야 국제학술지 스템셀즈(Stem Cells)지 최근 온라인판에 게재되었다.
* 논문명 : Functional regulation of adipose-derived stem cells by PDGF-D
이번 연구결과는 지방줄기세포를 세포치료제로 개발할 때 난제로 지적되어온 긴 배양기간과 고비용을 효과적으로 극복할 수 있는 실마리로 주목받고 있다.
연구팀은 지방줄기세포에 D형 혈소판유래성장인자*를 처리해주면 성장과 증식이 2배 이상 왕성해지는 것을 알아냈다.
나아가 이렇게 배양된 지방줄기세포를 생쥐의 피하에 주사한 결과 성장기 모발**이 유도되고, 모발이 증식됨을 확인하였다.
* D형 혈소판유래성장인자(PDGF-D, platelet-derived growth factor-D) : 세포의 증식 및 분화를 유도하는 성장인자의 하나로 평활근 세포, 섬유아세포 및 혈관벽 같은 간엽유래 세포의 증식을 촉진하는 단백질
** 성장기 모발(anagen phase hair) : 모발의 반복되는 성장주기 가운데 주기의 90% 정도를 차지하는 모발이 성장하는 단계
D형 혈소판유래성장인자는 적은 양의 지방줄기세포를 사용하고도 동일한 발모촉진 효과를 얻을 수 있도록 도우므로 지방줄기세포 투여량을 낮출 수 있을 것이라는 설명이다.
이와 같은 줄기세포의 증식능 향상 효과는 D형 혈소판유래성장인자가 만들어낸 활성산소가 줄기세포를 자극하기 때문이다.
D형 혈소판유래성장인자가 미토콘드리아를 자극하면 활성산소가 생성되는데 이 활성산소가 신호전달물질처럼 작용하여 세포의 성장과 분열에 관계하는 신호전달경로(MAPK pathway*)를 활성화, 모발 재생 단백질의 분비를 촉진함을 확인하였다.
* MAPK (mitogen-activated protein kinase) pathway : 세포막에 있는 수용체(receptor)에서 받은 성장 등을 위한 신호를 세포핵으로 전달해 주는 신호전달자(secondary messenger)의 하나로, 세포 증식 및 이주와 관련된 유전자의 발현을 촉진함
성 교수는 “3~5년의 추가연구를 하면 탈모치료용 세포치료제 개발이 가능할 것으로 예상하며, 저농도의 활성산소가 세포내 신호전달물질로 작용하여 세포의 성장을 조절한다는 최신 이론을 뒷받침하는 증거로서의 학문적인 가치가 있다”고 연구의 의의를 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
지방줄기세포는 최근 다양한 분야에서 조직 재생 및 질병 치료 목적으로 응용되고 있다. 특히 골수나 제대유래 중간엽줄기세포에 비해 다량의 줄기세포를 얻을 수 있어 피부 및 성형 미용 목적으로 지방줄기세포의 임상적인 적용이 활발하다. 배양하지 않은 지방줄기세포 추출분획이 피부과 등에서 임상에 쓰이고 있고, 가슴 확대에도 지방줄기세포가 이용되고 있다. 최근 지방줄기세포가 치료용 세포치료제로 허가되어 크론씨병 등에 사용되고 있다.
본 연구자는 기업 연구소 시절부터 지방줄기세포의 산업화에 관심을 두고 지방줄기세포 배양액을 이용한 화장품 소재 개발 등의 성과를 이루었다. 하지만 치료나 생산에 쓸 만큼 충분한 양의 지방줄기세포를 배양하는 것이 어려웠고, 경제적인 가격에 세포치료제 등을 생산할 수 없었다.
2. 연구내용
본 연구에서 연구자는 지방줄기세포의 생산수율 향상과 재생능력 증대를 위한 새로운 성장인자를 탐색하였고, 기존에 보고되지 않은 D형 혈소판유래성장인자를 발견하였다.
D형 혈소판유래성장인자를 이용해 배양했을 때, 증식률 및 이주능이 2배 이상 증가하였고, 이는 PI3K/Akt pathway의 활성화와 관련이 있었다. 추가적인 기전 연구에서 증식 및 이주능의 증가에는 미토콘드리아에서 발생하는 활성산소가 중요한 신호 전달물질로 작용함을 확인하였다. 그리고 혈소판 성장인자에 대한 수용체가 p66Shc란 단백질의 인산화를 촉진하여 활성산소를 생성하고, 미토콘드리아의 분열(fission)을 촉진하는 사실을 발견하였다.
상전이 동물모델(Telogen to anagen transition model)을 통해 지방줄기세포의 발모효과 및 피부 재생 효과를 확인하였고, D형 혈소판유래성장인자를 전처리한 지방줄기세포를 피하 주사하였을 때, 음성대조군 및 지방줄기세포 단독 처리군에 비해 현저한 성장기 모발 유도 및 발모 현상을 확인할 수 있었다.
D형 혈소판유래성장인자에 의해 분비되는 모발 재생 관련 유전자를 분석하여 VEGFA, FGF1, FGF5, LIF, INHBA, IL11, HBEGF 등의 발현이 현저히 증가함을 확인하였고, 이는 MAPK pathway의 활성화와 관련됨을 확인하였다.
3. 기대효과
우선 지방줄기세포가 세포치료제로서 탈모치료제로 개발될 수 있는 가능성을 제시하였다. 아직 지방줄기세포가 모낭을 구성하는 세포로 분화되는 실험적 증명을 마치지 못했지만, 적어도 D형 혈소판유래성장인자를 전처리한 지방줄기세포 및 분비되는 단백질에 의해 발모가 촉진되는 현상을 확인하였다.
또한 줄기세포의 치료제 개발의 장벽인 높은 생산 단가와 긴 배양기간도 해결 가능하게 되었다. D형 혈소판유래성장인자를 이용하여 지방줄기세포를 배양할 때 지방줄기세포의 성장/증식능이 대조군에 비해 2배 이상 증가하고, 다른 성장인자들과 비교하였을 때도 가장 뛰어남을 확인하였고, 이는 생산 단가 및 배양기간을 절반이하로 줄일 수 있음을 시사한다.
D형 혈소판유래성장인자의 지방줄기세포를 활성화해주는 기전연구를 동시에 수행하였고, 특이하게도 미토콘드리아에서 활성산소의 생성을 증가시키고, 이들 활성산소가 줄기세포를 자극하여 증식능 및 이주능을 증가시킴을 확인하였다. 이는 활성산소가 일반적으로 세포에 손상을 준다는 일반적인 사실과 다르고, 저농도의 활성산소가 세포내 신호전달물질로 작용하여 세포의 성장을 조절한다는 최신 이론을 뒷받침하는 증거로서의 학문적인 가치가 있다.
연 구 결 과 문 답
> 이번 성과 뭐가 다른가
지방 줄기세포 단독 투여에 비해 D형 혈소판유래성장인자 전 처리시 효과적인 모발 재생이 유도됨
> 어디에 쓸 수 있나
지방줄기세포를 탈모치료용 세포 치료제로의 개발 및
지방줄기세포 배양시 증식률 증가 및 생산 단가 절약
> 실용화까지 필요한 시간은
세포치료제로의 개발은 3-5년이 더 필요할 것으로 예상되며 세포 배양에는 즉시 응용 가능할 것으로 기대
> 연구를 시작한 계기는
기업 연구소 시절부터 지방줄기세포의 산업화에 관심이 많았고, 지방줄기세포 배양액을 이용한 화장품 소재 개발 등의 성과를 얻은 바 있지만 치료나 생산에 쓸 만큼 충분한 양의 지방줄기세포를 배양하는 것이 어려워 경제적인 세포치료제 생산이 어려운 것을 계기로 줄기세포 활성화제 연구를 시작함
> 꼭 이루고 싶은 목표는
추가적인 연구를 통해 줄기세포를 모낭을 구성하는 다양한 세포로의 분화를 유도하여, 모발이식을 대체하는 탈모치료제를 개발하고 싶음
> 신진연구자를 위한 한마디
현재 신진연구자가 수주할 수 있는 연구비가 많이 축소되어 연구실 운영이 어려울 수 있습니다. 하지만 희망을 가지고 노력하면 좋은 성과가 나올 것입니다. 정부에서도 우수한 연구자들이 정착할 수 있도록, 신진연구자에 대한 지원을 확대했으면 합니다
용 어 설 명
1. Stem Cells지
- 줄기세포 연구 분야 국제학술지
2. D형 혈소판유래성장인자(PDGF-D)
- 세포의 증식 및 분화를 유도하는 성장인자의 하나로 평활근 세포, 섬유아세포 및 혈관벽 같은 간엽유래 세포의 증식을 촉진하는 단백질
3. 지방줄기세포
- 연부조직인 지방조직은 지방세포 외에 미세혈관 내피세포, 내막세포, 섬유모세포, 근육세포, 지방전구세포로 구성되며, 최근에는 간엽줄기세포가 포함되어 있어 적절한 환경과 생물 활성요소 물질에 의해 연골, 골, 근육, 지방으로 유도된다는 사실이 보고됨
4. MAPK pathway
- 세포막에 있는 수용체(receptor)에서 받은 신호를 세포핵으로 전달해 주는 신호전달자(secondary messenger)의 하나로, 세포 증식 및 이주와 관련된 유전자의 발현을 촉진함
5. 상전이 동물모델(Telogen to anagen transition model)
- 생후 약 7주 부터 약물을 투여하여 성장기(anagen)가 유도되는 것을 비교할 수 있는 생쥐(C3H/HeN)를 이용한 동물모델
그 림 설 명
(A) 생쥐의 등 부분의 털을 제거한 후 시일의 경과에 따라 털이 다시 자라나는 정도를 살펴본 것으로 대조군(왼쪽 패널-Negative Ctrl, 가운데 패널-ASCctrl)과 달리 PDGF-D를 전처리한 지방줄기세포를 투여한 생쥐(오른쪽 패널- ASCPDGF-D)의 경우 14일 경과후 털이 상당 부분 자라나 등 부분을 덮은 것을 볼 수 있다.
(B) 14일 후 자란 생쥐의 털의 무게를 측정한 결과 그래프로 대조군이 10mg 남짓한 반면 PDGF-D를 전처리한 줄기세포의 경우 새로 난 털의 무게는 2배 이상으로 28mg 가량으로 나타났다.
PDGF-D(붉은색 그래프) 및 그와 유사한 동형단백질(PDGF-A,B,C) 을 세럼(serum)이 없는 상태의 지방줄기세포에 처리한 후 실시간 세포이미징 (live cell imaging) 장비를 이용해 증식률을 측정한 결과 대조군(검은색 그래프)에 비해 PDGF-D를 처리한 경우 증식률이 가장 높게 나타났다.
