사용자:임종원/연습장
 |
용어의 정의와 어원[편집]
재생의학(Regenerative medicine)이란, 인간의 세포와 조직, 장기를 대체하거나 재생시켜서 원래의 기능을 할 수 있도록 복원시키는 의학 분야이다. 재생 의학의 목표는 이전엔 회복이 불가능했던 조직이나 장기들의 신체 고유의 회복 메커니즘을 활성화시키거나 손상된 조직을 교체함으로써 손상된 부위를 재생하는 것이다. 또한 재생의학에는 신체가 스스로 치유할 수 없는 조직, 장기를 실험실에서 배양하고, 안전하게 이식하려는 시도도 포함된다. 이로써 재생의학은, 특히, 장기 이식이 필요한 사람들에 비해 턱없이 부족한 장기 기증의 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 그리고 환자 자신의 세포를 이용한 장기 배양을 통해 장기 이식 때 발생하는 면역 거부현상도 해결할 수 있을 것이다.
'재생의학'이라는 용어가 처음 나타난 것은 1992년 릴랜드 카이저 (Leland Kaiser)의 병원 관리부에서였다. 그 서류엔 미래에 병원에 영향을 줄 기술들에 관한 내용들이 담겨있었는데, 여기서 굵은 글씨로 쓰인 ‘Regenerative Medicine’은 "만성질환을 치료하고 많은 부분에서 손상된 장기 시스템을 재생시킬 의학의 새로운 분야‘로 소개되었다. 그리고 이 용어는 1990년대 후반 휴먼지놈사이언시스(Human Genome Sciences)의 창립자 윌리엄 하셀타인 (William Haseltine)에 의해 널리 알려지게 된다.
재생의학의 핵심은 줄기세포를 이용한 생물 의학적 치료이다. 재생의학의 하위 개념은 다음과 같이 세 가지로 분류 할 수 있다. 그 예에는 줄기세포나 전구세포를 주사하는 세포 치료(cell therapy)나, 생리 활성 물질(Biologically active molecules)의 직접적 이용이나 이 물질을 주입받은 세포의 분비물을 이용한 면역조절 치료(immunomodulation therapy), 시험관에서 배양한 장기나 조직을 이식하는 조직공학(tissue engineering)이 있다.
줄기세포의 정의와 종류[편집]
줄기세포(stem cell)란 아직 분화되지 않은 세포로, 여러 종류의 신체 조직으로 분화할 수 있는 능력을 가진 세포이다. 줄기세포는 여러 유전자의 발현에 따라 통제되는데 이것을 인류가 적절히 조절할 수 있게 된다면 의학에 획기적인 발전을 이룰 수 있을 것이다.
이 줄기세포의 종류에는 배아 줄기세포 (embryonic stem cell) , 성체 줄기세포(adult stem cell)와 유도만능 줄기세포(induced Pluripotent Stem cell, iPS) 가 있다.
배아 줄기세포[편집]
배아 줄기세포란 정자와 난자의 수정으로 생성된 수정란에서 생겨난다. 수정란이 배아로 발생하는 과정에서 배반포 안쪽의 세포덩어리가 모든 조직의 세포로 분화하게 되는데 이 안쪽의 세포를 분리해 특정한 환경에서 배양하면 더 이상 분화는 일어나지 않지만 여전히 분화능력을 가지고 있는 배아 줄기세포를 얻을 수 있다.
이론상 무한 증식이 가능하고 거의 모든 신체 조직으로 분화가 가능하며, 면역거부반응이 없다. 따라서 배아줄기세포를 원하는 조직으로 분화시켜 손상된 조직을 재생하는데 이용할 수 있다.
하지만 배아 줄기세포를 얻을 때 많은 수정란을 파괴하기 때문에 수정란을 하나의 인간으로 보는 관점에서는 배아 줄기세포 연구는 살인행위나 다름없다. 그리고 이 과정에서 인간 복제의 문제도 생길 수 있다. 그래서 배아 줄기세포 연구는 매아 제한적인 편이다. 하지만 2013년 1월 미국 대법원에서 배아 줄기세포 연구를 허용하는 등 규제가 다소 완화되고 있는 추세이다.
성체 줄기세포[편집]
성체 줄기세포는 발생단계의 배아가 아닌 신체 각 조직에 소량으로 존재하는 줄기세포로 탯줄혈액이나, 성인의 골수와 혈액 등에서 추출한다. 성체 줄기세포는 그 종류에 따라 분화되는 조직이 한정되어있는데 그 예로 중간엽줄기세포, 신경줄기세포 등이 있다. 분화가 안정적이기 때문에 암세포로 변할 가능성이 적고 이미 임상적 적용이 가능한 단계까지 왔다. 배아 줄기세포와는 다르게 수정란을 이용하지 않고 이미 성장한 신체조직에서 추출하기 때문에 윤리적인 문제가 발생하지 않는다. 하지만 얻을 수 있는 양이 적으며 배양이 어렵고 분화가 한정적이라는 문제가 있다.
유도만능 줄기세포[편집]
배아 줄기세포와 성체 줄기세포 이외에도 최근 ‘유도만능줄기세포’가 주목 받고 있다. 유도만능 줄기세포란 완전히 성장한 체세포에 세포분화와 관련된 유전자를 조작해 배아 줄기세포와 같이 만능세포 단계로 되돌아간 세포로, 역분화 줄기세포라고도 한다. 분화가 한정된 성체 줄기세포와 수정란을 이용해 윤리적 문제가 있는 배아 줄기세포의 문제를 모두 해결할 수 있는 획기적인 줄기세포로 활발한 연구가 진행 중이다. 일본의 야마나카 신야 교수가 유도만능줄기세포를 만드는데 성공하였으며, 그 공로를 인정받아 2012년 존 거든 교수와 함께 노밸 생리학․의학상을 수상하였다. 하지만 아직 연구가 많이 이루어지지 않아 안정성에 대한 문제가 제기되기도 한다.
재생의학 치료법의 종류[편집]
세포치료[편집]
환자 자신이나 다른 생물체에서 얻은 세포를 분리, 배양, 분화시킨 후 환자에게 이식하여 병든 조직을 대체하고 신체기능을 회복시키는 의학적 방법을 ‘세포 치료 (cell therapy)'라고 하는데, 넓은 의미로는 수혈이나 골수 이식 등을 포함한다. 줄기세포는 여러 종류의 세포로 분화하는 성질을 가지고 있어서 줄기세포를 이용한 세포 치료는 난치성 질환을 치료할 수 새로운 방법으로 주목받고 있다.
세포치료의 역사[편집]
세포치료의 기원은 수혈, 골수 이식, 장기 이식에 있으며, 1800년대까지 거슬러 올라간다. 프랑스의 브라운 세카르는 노화를 막기 위해 동물의 정소를 이식하는 실험을 했고(1889) 그 뒤에 스위스의 파울 니한스가 1931년 양의 배아 세포 같은 이종의 세포를 주사해 활력을 되찾게 하는 치료법을 행했다.
현대의 세포 치료는 주로 골수 이식에서 과학적인 정당성을 획득했다. 노벨상 수상자 장 도세의 조직적합성 항원 연구로 일란성 쌍둥이 간의 골수 이식이 성공했고 그 후 계속된 연구를 통해 다른 사람 간의 골수 이식도 성공했다.
이렇게 세포의 호환성에 대한 비밀이 밝혀지자 세포 치료도 발달하기 시작했다. 6살 아이에게 제대혈 줄기세포 이식이 1988년 최초로 성공했고 성인을 대상으로 한 이식도 1997년 성공했다. 1998년에는 줄기세포를 기르는 공장 같은 역할을 하는 배아줄기 세포계(embryonic stem cell line)이 만들어지면서 큰 발전을 이뤘다.
세포치료의 종류[편집]
세포치료는 주로 두 가지로 나뉘는데 환자 자신의 세포를 사용하는 자가유래 세포치료(Autologous Cell Therapy)와 타인의 세포를 이용하는 동종유래 세포치료(Allogeneic Cell Therapy)가 있다. 자가유래 세포치료는 환자 자신의 세포를 이용하기 때문에 면역 거부나 부작용이 적다는 장점이 있으며 동종유래세포치료는 면역반응을 일어나지 않도록 조절하면 대량 생산하여 많은 사람에게 치료할 수 있다는 장점이 있다.
그리고 세포치료에는 배아 줄기세포와 성체 줄기세포에 포함되는 조혈모세포, 중간엽 줄기세포, 신경 줄기세포 등이 쓰인다.
배아 줄기세포를 이용한 세포치료[편집]
오늘날 배아 줄기세포를 현재 척수 손상, 노인성 황반변성, 심혈관계 질환, 당뇨병과 파킨슨병, 백혈병 등의 치료에 적용시키기 위한 연구가 진행 중이다. 줄기세포를 특정 세포로 분화시키고 손상된 부위에 주입해 치료하는 방식으로, 원하는 세포로 적절하게 분화시키기 위한 노력이 계속 되고 있다.
파킨슨병은 세포간의 신호를 전달하는데 이용되는 신경 전달 물질 중 하나인 도파민을 분비하는 세포가 소실되면서 나타나는 질환이다. 배아 줄기세포를 도파민을 분비하는 세포로 분화시켜 몸속에 주입해서 파킨슨병을 치료할 수 있다.
이와 마찬가지로 인슐린 부족으로 나타나는 당뇨병을 치료하기 위해 줄기세포를 인슐린 분비 세포로 분화시킨 후 주입할 수 있다.
이외에도 암세포를 죽이는 자연살해세포(natural killer cell)나 뼈 조직으로도 분화시켜 여러 가지 치료에 배아 줄기세포를 이용할 수 있다.
배아 줄기세포 연구는 심한 규제로 인해서 임상 실험 사례가 적은 편이다. 배아 줄기세포에서 얻은 전구 세포를 이용해 척수 손상을 치료하는 치료제의 임상 실험이 진행되고 있으며, 황반 변성을 치료하기 위해 배아줄기세포 유래 망막색소상피세포를 사용하는 임상 실험도 진행되었다.
성체 줄기세포를 이용한 세포치료[편집]
성체 줄기세포를 통한 세포 치료에는 조혈모세포, 중간엽 줄기세포, 신경 줄기세포가 있다.
조혈모세포[편집]
조혈 줄기세포라고도 불리는 조혈모세포는 자가 복제 및 분화를 통해 백혈구, 적혈구 및 혈소판 등의 혈액 세포를 만들어내는 세포이다. 조혈모세포는 성인의 골수에 약 1%의 적은 수로 존재하고 제대혈에도 고밀도로 존재하는데, 골수를 찾아가는 본능이 있기 때문에 이식이 가능하다. 이런 특징으로 조혈모 세포는 중증 재생불량성빈혈, 악성혈액질환 등의 난치성 혈액질환을 대상으로 한 동종 조혈모세포 이식에 이용되고 있다.
최근에는 조혈모세포 이식이 유전성 질환에도 우수한 치료 방법으로 사용되고 있고, 혈액 세포 뿐만 아니라 골격근, 심장근, 간 등의 다른 조직으로도 분화한다는 보고가 있어 여러 유형의 세포치료가 시도되고 있다.
중간엽 줄기세포[편집]
중간엽 줄기세포란 뼈, 연골, 지방, 근육 등 매우 다양한 조직으로 분화할 수 있는 성체 줄기세포로 제대혈과 지방조직과 골수 등에 존재한다.
중간엽 줄기세포는 골다공증, 퇴행성 관절염, 척수 손상 등의 여러 질병 치료를 위하여 연구가 이뤄지고 있다. 치료법의 방식은 주로 환자의 중간엽 줄기세포를 증폭한 후, 이 줄기세포를 특정 세포로 분화시키고 체내로 주입하는 것이다. 뼈와 연골 재생에는 여러 임상실험이 실행되었고, 심근세포 재생 사례도 보고되고 있다. 중간엽 줄기세포는 주로 지방조직에서 채취하는데 지방 조직은 온 몸에 있고, 지방 흡입술 후 남은 지방 조직에서도 얻을 수 있는 등 다른 성체 줄기세포보다 많은 양을 얻기 수월하며 분화할 수 있는 조직도 매우 다양해서 재생의학에서의 관심이 매우 커지고 있다.
신경 줄기세포[편집]
파킨슨병, 알츠하이머, 헌팅턴 증후군 등 신경세포의 퇴화로 일어나는 질환은 중추신경계의 신경 세포들이 재생 능력을 잃고 세포사 하기 때문에 일어난다. 이런 질환을 치료하기 위해서 신경 줄기세포를 사용할 수 있다. 신경 줄기세포는 신경계를 이루는 세포인 뉴런이나 신경아교세포 로 분화할 수 있어 퇴화된 신경 세포를 대체하고 신경계의 질환을 치료할 수 있을 것으로 기대된다.
면역 조절 치료[편집]
줄기세포 이식을 통한 세포 치료는 미분화된 줄기세포가 암과 같은 종양으로 변할 수 있어 위험성이 존재한다. 하지만 줄기세포로부터 분화된 세포를 직접 이식하지 않고 이 세포로부터 분비된 생리 활성물질을 주입하여 손상된 부위의 조직 재생을 촉진시키면 이런 위험성에서 벗어날 수 있다.
조직 공학[편집]
조직 공학(tissue engineering) 이란, 생명과학·의학·공학의 기본개념과 기술을 바탕으로 생체조직의 대용품을 만들어 이식함으로써 생체 기능의 유지·향상·복원을 가능하게 하는 것이 이 학문의 목표이다. 1980년 처음 인공피부가 제작되면서 새로운 학문 분야로 인정받기 시작하였다.
인공 장기의 분류[편집]
인공 장기 배양은 복잡성을 기준으로 4가지로 분류할 수 있다.
먼저 피부와 같이 편평한 구조들은 만들어내기 가장 쉬우며 주로 한 종류의 세포로만 구성되어있다.
그리고 혈관이나 방광 같은 튜브 모양의 장기는 주로 두 가지의 세포로 되어있고 액체를 수송하는 도관으로 쓰인다.
세 번째로 방광, 위 같이 튜브 모양이 아니면서 속이 빈 장기들은 더욱 복잡한 구조와 기능을 가진다.
마지막으로 콩팥, 심장, 간과 같이 내부가 비지 않은 장기들은 가장 만들어내기 어려운 종류의 장기이다. 이런 장기들은 앞은 세 종류보다 훨씬 복잡하고 매우 다양한 종류의 세포가 쓰이며, 장기의 동맥, 정맥, 모세혈관을 모두 연결해야하기 때문에 혈액 공급에 많은 어려움이 있다.
현재 세 번째까지의 장기 배양 및 이식이 성공했다고 한다.
인공 장기를 배양하는 과정[편집]
■세포 증대(cell expansion)
인공 장기를 만드는 것은 적합한 종류의 세포를 얻어내고 증대 시키는 것으로부터 시작한다. 세포를 체외에서 배양할 수 있는 경우에는 우표크기의 작은 조직 샘플을 직접 채취하고 실험실에서 배양한다. 이 세포들을 성장 인자와 함께 배양하면 이론적으로 하나의 세포가 약 6주 만에 축구장 전체를 덮을 수 있는 속도로 증식한다. 그리고 체외에서 적절하게 기를 수 없는 심장, 간 등의 세포는 줄기 세포를 이용해 증식시킨다.
■스캐폴드(인공 지지체) 만들기
그다음 해야 할 일은 필요한 장기의 모양의, 일종의 틀인 ‘스캐폴드’를 제작하는 것이다. 스캐폴드를 만드는 방법 중 하나는 ‘전기 방사’ 방식이다. 주로 혈관, 근육, 힘줄의 스캐폴드를 만드는데 이용된다. ‘전기 방사’ 방식이란 먼저 생체 재료를 용매에 녹인 용액을 주사기에 넣고 용액을 천천히 뿌리면서 강한 전압을 가해 적당히 떨어진 거리의 심축 표면에 층을 형성해 스캐폴드를 만드는 방식이다.
더욱 복잡한 장기의 스캐폴드를 만들기 위해서는 ‘세포제거술’ 기법이 사용된다. ‘세포제거술’ 이란 기부받은 장기에서 원래 세포를 모두 제거하고 환자의 세포를 주입하는 기법이다. 기부 받은 장기를 효소와 분해자를 이용해 세척하면 원래 세포는 분해되어 나가고 주로 콜라겐과 엘라스틴으로 이뤄진 단백질의 망이 남는다. 그리고 남은 스캐폴드에 줄기세포를 주입하고 배양해 장기를 만들어내는 것이다.
미국의 도리스 테일러 박사는 이 ‘세포제거술’을 쥐의 심장에 사용했다. 죽은 쥐의 심장에서 세포를 모두 제거하고 다른 쥐의 심장 세포를 주입하고 배양한 것이다. 세포를 주입한 지 8일 후에 이 쥐의 심장은 정상 기능의 2%기능 밖에 하지 않았지만 박동하고 있었다.
완성된 스캐폴드에 세포가 이식되고 이 스캐폴드는 세포들이 자라고 발달하는데 도움을 준다. 이렇게 스캐폴드는 조직공학에서 필수적인 요소이다. 가장 이상적인 스캐폴드는 세포가 자라 체내의 세포와 완전히 합쳐질 때까지 성장에 도움을 준 뒤엔 신체로 흡수되어 사라지는 것이다. 그래서 스캐폴드의 재료가 신체와 어떤 상호 작용을 하는 지 조사하고 적합한 재료를 찾기위한 연구가 이루어지고 있다.
그 다음엔 고성능 현미경을 이용해 이식된 세포의 모양과 크기 등을 조사해서 이 세포들이 체내에서 제 역할을 할지 알아보는 과정을 거친다. 그리고 또 배양된 장기를 특수한 용기에 넣고 화학 물질과 전기 신호의 반응을 조사해서 정상 기능을 하는지 조사한다. 정상 기능을 한다고 판명되면 배양된 장기는 체내에 이식 될 수 있다.
눈에 띄는 연구들[편집]
공상 영화에서나 볼 법한 기술로 장기를 만들어내는 방식도 실제로 발전 중이다. 그 중 하나는 바로 잉크젯 프린터를 이용해 장기와 조직을 ‘출력’하는 것이다. 미국 웨이크포레스트 의대 재생의학 연구소에서는 잉크젯 프린터를 개조해서 다양한 조직과 장기의 원형을 만들어내는데 사용하고 있다. 이미 2003년에 이 기술을 이용해 미니 신장을 만든 사례가 있고, 뼈 구조를 스캔하여 인공 뼈를 만들어 이식하는 방식은 벌써 성공한 사례가 있다.
그리고 이와 비슷하게 피부로 분화하는 줄기세포를 직접 피부에 뿌려서 화상을 치료하는 방식도 있다. 맥고완 재생의학 연구소에서는 컴퓨터로 제어되는 분무기를 통해 상처에 피부세포를 도포하는 기술을 연구 중이다. 환자의 몸에서 건강한 피부세포를 추출한 다음 물에 섞어 환부에 뿌리는 것이다. 모든 과정이 한 시간 반이면 끝나고 최초로 이 치료를 받은 환자는 넓은 부위에 2도 화상을 입었지만 불과 4일 만에 완벽하게 완치되었다. 아직 실험 단계에 있지만 이미 십여 명이 넘는 환자들이 완치되었다.
참고 자료[편집]
위키피디아 영문판 - regenerative medicine : http://en.wikipedia.org/wiki/Regenerative_medicine
http://studentdoctor.net/2010/12/regenerative-medicine/
샐리 모건 - 줄기세포 발견에서 재생의학까지
세포응용연구사업단 - 21세기의 의학혁명 줄기세포란 무엇인가?