전자기파 유도 신개념 세포 리프로그래밍 기술 개발
전자기파동 에너지 유도 역분화 줄기세포 활용
미래창조과학부는 동국대학교 김종필 교수팀이 전자기파동 에너지를 활용한 세포의 운명을 자유롭게 바꿀 수 있는 신개념의 세포 리프로그래밍 기술을 개발하였다고 밝혔다.
이번 국내 연구팀이 독자적으로 확립한 이번 연구결과는 향후 세포 리프로그래밍 및 줄기세포를 활용한 재생의학분야에 혁신적 세포치료제 개발로 이용될 수 있어서 세계적으로 주목받고 있다.
* 세포 리프로그래밍: 세포의 운명을 자유자재로 전환하여 환자에게 필요한 맞춤형 세포를 만들어 낼 수 있는 기술로서 현재 줄기세포 재생의학치료분야에서 가장 주목받고 있는 기술임
이번 연구성과는 동국대학교 김종필 교수(단독교신)가 주도한 연구로 미래창조과학부의 바이오‧의료기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 나노과학 분야 세계적인 저명 학술지인 ACS Nano에 9월 23일자로 온라인 게재되었고, 10월호 저널에 실릴 예정이다.
* (논문제목) Electromagnetic Fields Mediate Efficient Cell Reprogramming Into a Pluripotent State - (제1저자) 동국대학교 백순봉 연구원 (의생명공학과 박사과정)
- (단독교신저자) 동국대학교 김종필 교수 (의생명공학과 조교수)
전자기파는 지구상에 다양하게 존재하고 있는데 생명체에 밀접한 영향을 주며, 세포의 기능에도 다양한 영향을 미친다고 알려져 있다.
본 연구팀은 이러한 전자기파 중에서 특정 전자기파동 에너지가 세포의 후성유전학에 특이적으로 영향을 미쳐서 세포의 운명 전환에 중요한 역할을 한다는 점을 세계 최초로 규명하였으며, 이러한 특정 전자기파의 특성을 이용하여 효율적 세포 리프로그래밍을 유도해, 세계 최초로 전자기파 유도 역분화 줄기세포를 제작하였다.
지금까지 개발된 만능유도 줄기세포 제작 방법은 낮은 효율과 많은 시간이 소요, 암세포를 만들 수 있는 인자를 사용한다는 점에서 세포 치료제의 안전성에 문제가 있었다. 본 연구에서는 전자기파동 에너지를 이용할 경우 역분화줄기세포 제작효율이 기존의 역분화기술에 비해 약 37배 향상됨을 확인하였다.
특히 기존 역분화기술에 사용되던 cMyc, Klf4, Sox2 등 암 유발인자를 사용하지 않고, Oct4라는 한 가지 인자만을 사용하고 극저주파를 처리할 경우에도 역분화 줄기세포가 제작됨을 확인하였다. 이러한 결과는 전자기파를 이용, 역분화 줄기세포를 제작하였을 때 상당히 효율적이며 보다 안전한 줄기세포를 만들 수 있다는 장점을 보여준다.
따라서 이러한 기술은 향후 안정적인 환자 맞춤형 줄기세포 치료에 핵심적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
뿐만 아니라, 이러한 전자기파를 활용한 세포 운명전환 기술에 기초 메커니즘을 규명함으로써, 다양한 전자기파 자극을 통해서 기존에 알려졌던 다양한 종류의 줄기세포 및 재생의학에 활용될 수 있는 중요한 치료용 세포들을 제작할 수 있는 가능성을 제시하여, 향후 줄기세포 재생의학분야에 있어 많은 파급효과가 기대된다.
이번 연구는 전자기파동 에너지라는 새로운 형태의 세포 자극을 이용하여, 세포의 운명을 제어하여 기술을 확립하고, 이를 통해 암세포인자와 같은 위험인자를 줄이면서도 효율적으로 줄기세포를 제작한 것으로서, 줄기세포 및 세포 치료기반 재생의학 분야에 혁신적 지평을 열었다는 점에서 의의가 있다.
김종필 교수는 “이번 연구는 줄기세포를 통한 세포치료제 실용화를 위해 핵심적인 이론과 더불어 기술적 기반을 제공하는 연구이다.” 라고 연구의의를 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구 배경
지구상에 존재하는 전자기파는 생명체에 다양한 영향을 미치며, 특별히 특정 파장의 전자기파장은 세포의 활동에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 이러한 특정 전자기파의 효과를 줄기세포 리프로그래밍 기술에 응용함으로써 줄기세포 리프로그래밍에 혁신적인 기술을 고안하고자 하였다.
세포 리프로그래밍 기술은 세포의 운명을 자유자재로 바꿈으로써 재생의학에 필요한 줄기세포 및 임상에 중요한 세포를 제작할 수 있게 하는 기술로서 최근 재생의학분야에서 가장 주목받고 있는 기술이다. 그러나 기존의 세포 리프로그래밍을 활용한 유도만능줄기세포 제작기술은 낮은 제작효율과 함께 제작과정에서의 발암유전자의 도입으로 실제 환자치료 이용에 있어서 심각한 문제의 가능성이 있어서, 이를 극복하기 위한 보다 발전된 유도만능줄기세포 제작기술의 연구가 요구되어 왔다.
본 연구에서는 세포 리프로그래밍 동안에, 리프로그래밍의 효율을 높일 수 있는 특정 전자기장을 도입하여 유도만능줄기세포 생성에 미치는 영향을 파악하고, 기존의 종양을 일으킬 수 있는 역분화 유전자를 대체할 수 있는 지를 보고하였을 뿐만 아니라 특정 전자기장에 의해 세포리프로그래밍 과정에 미치는 일어나는 세포의 반응을 분자생물학적 기작을 밝히고자 하였다.
2. 연구내용
본 연구팀은 전분화능 줄기세포에서 특이적으로 유전자가 발현할 때 초록색형광 단백질이 함께 발현할 수 있도록 유전자 조작된 마우스의 섬유아세포를 리프로그래밍을 시키는 과정에서 극저주파 파동에너지를을 도입하였을 때, 기존인자들보다 약 37배 이상 효과가 더 좋은 유도만능줄기세포의 생성효율이 증가됨을 발견하였다.
또한 기존의 세포 리프로그래밍 과정에서 이용되는 역분화 유전자중 종양을 발생시킬 수 있는 인자들 즉 Klf4, cMyc, Sox2 를 제거하여도 전자기장 도입에 의해 효과적으로 유도만능줄기세포가 만들어짐을 확인하였다.
이러한 전자기파의 세포리프로그래밍의 효과는 Mll2 라는 세포 후성유전학에 영향을 미치는 특정 유전자의 발현을 증가시킴으로써 전분화능 유전자들에 열린 염색질 구조의 변화를 유도하여, 리프로그래밍 과정을 전체적으로 활성화시켜 유도만능줄기세포 생성을 촉진하는 것으로 나타났다.
뿐만 아니라 전체 지구에서 자연적으로 발생하는 존재하는 자기장을 차단 할 수 있는 자기장 상쇄 시스템에서 세포 리프로그래밍을 유도한 결과, 역분화 과정에서의 후성유전학적 환경변화가 지체되고 그에 따라 유도만능줄기세포의 생성이 확연히 늦어짐을 발견하였다. 따라서 세포 운명전환에 있어서 전자기장이 핵심적 영향을 미치는 것을 규명하였다.
3. 기대효과
본 연구는 보다 안전하고 효율적인 전자기장을 이용한 유도만능줄기세포 제작기술을 확립함으로써, 기존 유도만능줄기세포의 재생의학의 적용에 있어서의 새로운 대안이 될 수 있을 것으로 기대된다. 이렇게 제작된 안전하고 효율적인 전자기장유도 줄기세포는 혁신적 차세대 세포치료용으로 이용될 수 있을 것이다.
또한 세포 리프로그래밍을 통한 세포 운명전환에 있어서 전자기장의 효과의 분자 생물학적 기작을 규명함으로써 앞으로 다른 세포의 세포 리프로그래밍에 있어서도 전자기장를 통한 다양한 줄기세포의 효율적인 확립에 대한 응용연구가 가능하며, 이를 통한 줄기세포 기반 다양한 불치병 치료의 새로운 치료법을 제시하였다.
용 어 설 명
1. ACS Nano 誌
- 나노과학 분야 국제학술지(IF=12.033, 분야내 상위 5.4% 2013년 기준)
2. 세포 리프로그래밍
- 세포의 운명을 자유자재로 전환하여 환자에게 필요한 맞춤형 세포를 만들어낼 수 있는 기술로서 현재 줄기세포 재생의학치료분야에서 가장 주목받고 있는 기술
3. 유도만능줄기세포
- 체세포에 세포분화 관련 유전자를 주입하여 분화 이전의 초기배아와 같이 배아줄기세포처럼 만능성을 유도해 낸 세포
4. 전분화능
- 성체를 이루는 모든 조직을 구성하는 세포로 분화할 수 있는 능력
5. 전자기장
- 전기장과 자기장이 서로 연관되어 파동의 형태로써 공간에 전파되는 현상
6. 자기장 상쇄 시스템
- 공간에서 생성되는 자기장을 측정한 뒤, 3차원적으로 반대의 전기를 형성하여 가운데지점에서 자기장이 없도록 유도한 장치
그 림 설 명
이미 분화가 끝난 체세포에서 특정 전자기파동을 처리하여 세포리프로그래밍을 유도하였다. 이렇게 만들어진 역분화 줄기세포는 형광염색을 통하여 전분화능세포의 특성을 나타냄을 규명하였다.
