안전성 높은 유전자 전달기술 개발로 손상 조직을 효과적 재생
국내 연구진이 손상 조직의 효과적 재생을 위한 성체줄기세포의 이동 능력을 향상시키는 기술을 개발하는데 성공하였다.
한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 바이오의료기술개발사업의 지원을 받은 오두병 박사(생명공학연구원)와 임용택 교수(성균관대) 연구팀이 미니서클(minicircle)* 기반의 효율적 비바이러스성 유전자 전달 기술을 이용하여, 성체줄기세포인 중간엽줄기세포**가 손상 조직으로 집중 이동하는 능력을 크게 향상시켰음을 밝혔다.
* 미니서클(minicircle vector) : 유전자 전달 및 발현 효율을 높일 목적으로 유전자 재조합을 일반 플라스미드(plasmid) 벡터(유전자 전달과 유전자 발현이 가능한 DNA 분자)를 크기가 최소화된 고리 형태의 유전자 발현 벡터로 개량한 것
** 중간엽줄기세포 : 자가 증식이 가능하며 뼈, 지방, 연골 등으로 분화할 수 있는 능력을 보유한 성체 줄기세포. 윤리적인 문제 없이 성인의 골수, 지방, 혈액 등에서 채취가 가능하여 세포치료제의 원료 세포로 각광
본 연구결과는 생물재료 분야의 세계적 학술지 ‘바이오머터리얼즈(Biomaterials)’에 6월호에 온라인 게재 되었다.
세포 치료제로 활용되는 중간엽줄기세포의 성능을 향상시키기 위해서는 손상조직으로의 이동능력을 향상시키는 등의 유전공학적 조작이 필요하다.
이 과정에서 대부분 바이러스를 이용한 유전자 전달 방법을 주로 사용하고 있으나, 암 유발 가능성과 면역반응 등의 안전성 문제로 임상 사용이 제한되고 있다.
이에 따라 바이러스를 사용하지 않는 방법으로 중간엽줄기세포에 유용 유전자를 전달하는 기술을 개발하고자 하는 연구는 활발히 진행 중이나 아직 그 효율이 매우 낮다.
이에 오두병 박사팀은 유용 유전자를 미니서클에 실어서 마이크로포레이션(Microporation)* 방법으로 중간엽줄기세포에 도입하면 유전자 전달 효율이 크게 높아지며, 그 발현양도 일주일 이상 높게 유지된다는 것을 밝혀냈다.
* 마이크로포레이션(Microporation) : 파이펫 팁 형태의 미세관을 이용한 전기천공(electroporation) 방법. 전기충격을 이용하여 세포 내에 DNA를 집어넣는 방법.
손상 조직으로 이동 능력을 향상시켜주는 유전자(CXCR4*)를 미니서클에 실어서 중간엽줄기세포에 발현하여, 이처럼 조작된 중간엽줄기세포를 손상 조직을 가진 모델 동물에 정맥 주사하자,
* CXCR4 유전자 : 케모카인인 SDF-1의 수용체로서 세포 표면에 과발현 시 상처 및 염증 부위로의 이동 능력을 증가시키는 유전자
줄기세포가 상처 부위로 집중적으로 이동하는 능력이 크게 증가하였으며, 이로 인해 상처가 빠르게 회복되는 것을 관찰하였다.
이는 바이러스 대신에 미니서클을 이용하여 유용 유전자들을 중간엽줄기세포에 효율적으로 전달한 것으로 볼 수 있다.
오두병 박사는 “해당 성과는 바이러스를 사용하지 않고 유용한 유전자를 중간엽줄기세포에 효과적으로 전달하여, 손상 조직으로의 이동 능력을 향상시킨 것에 의의가 있다”라며, “본 기술을 사용하여 중간엽줄기세포를 손상조직을 효과적으로 재생시키는 세포치료제로 개발할 수 있기를 기대한다”며, 연구의 의의를 밝혔다.
□ 연구배경
중간엽줄기세포는 자가 증식과 뼈, 지방, 연골 등으로 분화할 수 있는 능력을 가지고 있는 성체 줄기세포로서 윤리적인 문제없이 성인의 골수, 지방, 혈액 등에서 채취가 가능하여 세포치료제의 원료 세포로 각광 받고 있다. 최근에는 배엽의 경계를 넘나드는 다양한 다중 분화능을 가진 것으로 보고되어 이를 이용한 세포치료제 개발이 활발히 진행되고 있다.
중간엽줄기세포를 효과적인 세포치료제로 개발하기 위해서는 생체 내 생존 능력과 손상 조직으로 이동 능력을 향상시키고 원하는 조직으로 분화시키는 등의 유전공학적 조작이 필요하다. 이러한 유전자 조작을 위해서 효율이 높은 바이러스를 이용한 유전자 전달 방법이 주로 사용되고 있으나 안전성 문제*로 임상 사용이 제한되고 있다.
*바이러스를 이용한 유전자 전달 시스템은 효율은 높으나 숙주의 염색체에 삽입되어 암을 유발한다거나 면역 반응을 유발할 가능성 등이 있어서 안전성 문제가 제기 되고 있음
안전성 문제가 있는 바이러스 기반의 유전자 전달기술을 대체하기 위해서 바이러스를 사용하지 않는 유전자 전달기술을 개발하고자 하는 다양한 연구들이 활발히 이루어지고 있으나 아직은 중간엽줄기세포로의 유전자 전달 효율이 매우 낮은 문제점을 가지고 있음.
비바이러스성 유전자 전달용 벡터로 세균 유래 서열에 기반을 둔 plasmid*가 주로 사용되는데 유전자 발현 효율이 낮고 일시적으로 유지된다는 단점이 있다. 이에 반해 minicircle은 유전자 재조합 방법을 통해 세균 유래 서열이 제거되어 크기가 최소화된 유전자 발현 벡터로서 그 전달 효율이 높을 뿐만 아니라 유전자 발현 기간도 상대적으로 오래 유지된다는 장점을 가지고 있다.
*Plasmid는 세균 내에서 독자적으로 복제될 수 있는 염색체 이외의 DNA로 고리 모양을 띠고 있으며 다른 종의 세포 내로 전달 될 수 있어서 유전공학에서 많이 사용된다.
□ 연구내용
연구팀은 리포터 유전자를 minicircle에 실어서 일반적으로 사용되는 전달 방법들을 사용하여 중간엽줄기세포에서 발현하려 했으나 그 효율이 매우 낮았다. 이러한 문제는 microporation* 방법을 사용함으로서 유전자 전달 효율을 63-66%까지 높일 수 있었다.
*Microporation은 파이펫 팁 형태의 미세관을 이용한 새로운 전기천공(electroporation) 기술임.
손상 조직으로 이동하는 능력을 향상 시켜주기 위해서 CXCR4* 유전자가 도입된 minicircle과 해당 세포의 위치 추적을 위한 이미징** 유전자가 도입된 minicircle을 제작하고 이들을 microporation 방법을 이용하여 중간엽줄기세포에 도입하였다.
*CXCR4는 케모카인인 SDF-1의 수용체로서 세포 표면에 과발현 시 상처 및 염증 부위로의 이동 능력이 증가한다.
** 모델 동물에서 해당 세포의 위치 추적을 위해서 반딧불 발광효소(firefly luciferase)유전자를 도입하였다.
Mincircle을 이용하여 제작한 CXCR4 유전자 과발현 중간엽줄기세포를 상처가 있는 생쥐의 꼬리에 정맥 주사를 하였을 때 해당 세포들은 상처 부위로 효과적으로 이동하였으며, 그 결과로 상처 부위가 빨리 재생되었다.
□ 연구성과의 의미
바이러스를 사용하지 않고도 효과적으로 중간엽줄기세포에 유용 유전자를 전달할 수 있는 기술 개발
본 연구에서 minicirle을 이용하여 바이러스를 사용하지 않고 유용 유전자를 중간엽줄기세포 효율적으로 전달하는 기술을 개발하였다. 그리고 이를 이용하여 중간엽줄기세포의 손상조직으로 이동 능력을 향상시켜서 모델 동물의 상처를 더욱 효과적으로 재생할 수 있음을 보여주었다.
상기 기술을 이용하여 중간엽줄기세포를 손상조직을 효과적으로 재생시키는 세포치료제로 개발할 수 있을 것이라고 기대된다.
연구 이야기
이번 성과 뭐가 다른가
1. 안전성 문제가 있는 바이러스를 이용한 유전자 전달 방법을 대신할 효과적인 비바이러스성 유전자 전달기술을 개발함.
2. 중간엽줄기세포에 유용 유전자를 전달하여 손상조직으로의 이동 능력을 향상시켜서 상처 재생 능력을 향상 시켰음.
어디에 쓸 수 있나
중간엽줄기세포를 이용한 세포 치료제의 성능을 향상시키는데 활용할 수 있음
실용화까지 필요한 시간은
본 연구결과는 중간엽줄기세포의 세포 치료 성능을 향상 시키는 기술의 개념을 검증한 ‘proof-of-concept’ 연구이며, 추후 세포치료제 실제 개발과 임상 단계의 시도와 속도에 따라 실용화 소요시간이 결정될 것
실용화를 위한 과제는
실용화를 위해서는 유용 유전자가 도입된 중간엽줄기세포를 이용한 세포치료제 개발 과제가 필요함
연구를 시작한 계기는
중간엽줄기세포의 성능향상을 위한 유전공학적 조작을 위해서는 바이러스를 이용한 유전자 전달 방법이 주로 사용되고 있으나 이들은 안전성 문제가 제기 되어서 실제 임상 적용이 어렵다는 문제가 있음. 이러한 문제를 해결하기 위한 기술을 개발해야겠다고 생각하여 본 연구를 수행하게 되었음
꼭 이루고 싶은 목표는
중간엽줄기세포의 성능을 향상시키는 임상 적용이 가능한 실용화 기술을 개발하여 실제 사업화가 될 수 있는 세포치료제 개발을 하고 싶습니다.
신진연구자를 위한 한마디
본 연구는 기존의 바이러스 기반의 유전자 전달 방법이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위한 시도로 개발된 연구입니다. 연구를 하는데 있어서 현 기술이 가지고 있는 문제점을 분석해서 그 것을 해결하기 위한 연구를 수행하는 것이 연구 개발을 수행의 좋은 방법이라고 생각합니다.
용어 설명
1. 중간엽줄기세포
자가 증식과 뼈, 지방, 연골 등으로 분화할 수 있는 능력을 가지고 있는 성체 줄기세포로서 윤리적인 문제없이 성인의 골수, 지방, 혈액 등에서 채취가 가능하여 세포치료제의 원료 세포로 각광 받고 있다. 최근에는 배엽의 경계를 넘나드는 다양한 다중 분화능을 가진 것으로 보고되어 이를 이용한 세포치료제 개발이 활발히 진행되고 있다.
2. Minicircle
Minicircle은 유전자 재조합 방법을 통해서 세균 유래 서열이 제거되어 크기가 최소화된 진핵세포용 유전자 발현 벡터임. 유전자 전달 효율이 높을 뿐만 아니라 유전자 발현 기간도 상대적으로 오래 유지된다는 장점을 가지고 있음.
3. Microporation
파이펫 팁 형태의 미세관을 이용한 새로운 전기천공(electyroporation) 기술임.
4. CXCR4
CXCR4는 케모카인인 SDF-1의 수용체로서 세포 표면에 과발현 시 상처 및 염증 부위로의 이동 능력이 증가함.
그림 설명
그림 1. Mincircle을 이용한 중간엽줄기세포로의 유용 유전자 전달기술
(왼쪽) Mincircle을 microporation 방법으로 중간엽줄기세포에 도입하는 비바이러스성 유전자 전달기술
(오른쪽) Minicircle을 이용하여 중간엽줄기세포에 유용 유전자(CXCR4)를 도입하여 손상 조직으로의 이동을 증가시켜서 상처 재생 능력을 향상시킴
