1, 배아줄기세포
남성의 생식세포인 정자와 여성의 생식세포인 난자의 수정으로 생성된 수정란에서 유래한다 어머니 뱃속에서 아기로 성장할 때 약2조개의 세포가 생기는데 배아줄기세포는 이러한 다양한 종류의 세포로서 분화할 수 있는 능력을 가진다.
전분화능 줄기세포(Totipotent Stem Cell) 라고도 한다. 대량증식이 가능하며 거의 모든 신체세포로 분화가 가능하며 면역거부반응이 없어 타인과 타종에게 이식이 가능하다. 그러나 분화조절이 어려워 암세포로 될 가능성이 있어 기술의 정밀함을 요하며, 수정란의 파괴로 윤리적 문제가 제기될 수 있다.
배아줄기세포의 분화능(Differentiation capacity)은 다음과 같다.
- 전능성(Totipotency)
개체를 형성할 수 있는 분화능을 말하며, 세포 하나하나가 한 개체로 분화가 가능하다. 임신 초기에 수정란이 갈라지면서,일란성 쌍둥이가 생기는 것과 같은 이치이다. - 만능성(Pluripotency)
태아나 성체의 모든 세포로 가는 분화능을 말하며, 초기 수정란세포가 분열하면서 여러 장기로 분화되기 전 단계의 세포로써 이러한 세포는 심장, 췌장, 간, 피부, 신경 등등 다양한 장기로 분화가 가능하다.어메이징! - 다분화성(Multipotent)
세포계에 속한 몇몇 세포종으로 분화가 가능하며, 성체 줄기세포에서 추출한다. - 이분화성(Bipotent)
두 종류의 세포로 분화 가능한 줄기세포를 말한다. - 단일 분화성(Unipotent)
오직 한 종류의 특정 세포로 분화 가능한 줄기세포를 말한다.
2,유도 만능 줄기세포 (Induced Pluripotent Stem Cells – iPS cells or iPSCs)
이 줄기세포는 ips줄기세포로 흔히 불리며 신체 어느 곳을 이용해도 배아줄기세포 와 같은 성질의 줄기세포로 역분화가 가능하다는 장점이 있다. 초기화 또는 역분화 라는 말로도 쓰이며 둘의 의미는 사실상 같다.
2007년 일본의 과학자 야마나카 신야를 필두로한 야마나카 팀이 최초로 쥐를 이용한 역분화에 성공하여 인간의 신체의 어느 부분을 이용해도 배아줄기세포와 같은 줄기세포를 만들 수 있다는 희망의 지평을 열었다.
2012년 이같은 공로로 최단시간에 야마나카 신야박사는 2012년 노벨 생리의학상을 받았다. 이것은 인류의 생명공학의 교과서를 통째로 다시 써야할 만큼 위대한 업적이며 도마뱀의 팔다리 척추등을 모두 스스로 재생하는 재생능력처럼 인간도 이와 같은 재생능력을 얻을수 있다는 21세기 생명공학의 엄청난 업적임에 분명하다.
화상환자나 기타 팔다리를 후천적으로 잃거나 척추마비 환자들에게도 엄청난 희망의 보고이다. 이 분야는 일본이 일찍 선두를 차지했으나 결과적으로는 미국이 모든 줄기세포 분야에서 선두를 차지하게 되었다.
3,성체 줄기세포
이 줄기세포는 신체 각 조직에 극히 소량만이 존재한다. 특정한 조직을 구성하는 세포로 즉, 골수세포는 혈구세포로, 피부줄기세포는 피부로, 후각신경세포는 후각신경세포로만 분화되도록 정해진 세포이다.
대표적인 예로 다능성 조혈모세포가 있다. 항상 우리 몸을 건강한 상태로 유지하는데 필요로 하는 최소한의 세포를 제공해 주는 세포이다. 어떤 손상이 발생하면 다른 장기에 있던 줄기세포가 몰려와서 손상된 조직으로 변하는 분화의 우연성이 있다.
분화가 안정적이어서 암세포 가능성이 없고, 이미 임상적 적용이 가능한 단계까지 왔다. 배아줄기세포와는 다르게 수정란에 파괴가 없어서 윤리적으로도 문제가 되지 않는다.
그러나 얻을 수 있는 줄기세포수가 적고, 배양이 어려우며 특정 세포로만 분화가 가능한 단점이 있고, 또 면역 거부 때문에 기증, 공여가 안 된다.
4. 조혈모세포(hematopoietic stem cell, HSC):
조혈모세포는 탯줄(umbilical cord) 혹은 골수(bone marrow)로부터 분리, 정제가 쉽고 환자에게 투여하기 이전에 분화시키기도 용이하다는 장점을 가지고 있다. 이염백색질장애(Metachromatic leukodystrophy)는 Arylsulfatase A 효소의 결손에 의해 경련과 근력저하 등을 일으키는 질병으로, 현재까지는 난치병으로 알려져 있으며 대게 발병 2-3년 이후에 사망하는 것으로 알려져 있다.
2013년 San Raffaele Scientific Institute의 Luigi Naldini 박사 연구팀은 렌티바이러스(Lantivirus)를 이용하여 환자의 골수와 말초혈액(peripheral blood)로부터 추출한 조혈모세포에 arylsufatase A 유전자를 도입, 이를 발병 초기의 어린 환자에게 투여(정맥 주사)하였다.
그 결과 해당 효소의 활성도가 증가함은 물론 그에 따른 근력저하 증상의 완화 등이 관찰되어, 조혈모세포를 이용한 인간의 이염백색질장애 치료가 가능함을 보였다.
부신백질이영양증(X-linked Adrenoleukodystrophy, ALD)은 긴 사슬의 지방산(very long chain fatty acid)가 제대로 분해되지 않고 신경계에 머물러 신경계와 부신에 영향을 미치는 치명적인 질병이다.
2017년 하버드 의대의 David A. Williams 교수 연구팀은 부신백질이영양증를 일으키는 ABCD1(ATP-binding cassette (ABC) transporters) 돌연변이를 앞서의 방법과 비슷하게 렌티바이러스를 이용하여 정상적인 ABCD1 유전자를 도입시켜 치료하는 방법을 보고하였고, 이를 통해 치료가 진행되는 약 2년동안 17명의 환자 중 15명(88%)에서 질병의 진행이 중단되는 것을 확인하였다.
두 유전자 치료법 모두 환자 본인의 조혈모세포를 이용하였기 때문에 면역장애인 이식편대숙주병(graft-versus-host disease)을 일으키지 않았고, 질병의 증상 완화 및 질병의 진행을 중단시키는 현상을 보여주어 Stem cell를 이용한 유전자 치료가 난치병을 포함하는 인간 질병의 치료에 이용될 수 있음을 보여주었다.
환자의 골수에서 직접 추출한 조혈모세포 뿐 아니라 환자 유래의 유도만능Stem cell와 3세대 유전자 유전자 가위인 CRISPR-CAS9를 이용한 유전자 치료법 역시 보고되었다. CRISPR-CAS9을 이용하여 환자 유래의 유도만능Stem cell에서의 돌연변이 유전자를 정상으로 되돌리고 체내에서 조혈모세포로 분화하도록 하여 해당 돌연변이에 의한 질환을 가진 쥐에게 투여하였을 때 정상적인 유전자 및 단백질 발현은 물론, 질환에 의한 증상이 완화됨을 보였다.
하지만 CRISPR-CAS9은 원하는 유전자가 아닌 다른 유전자를 편집하는 경우(off-target effect)가 있기 때문에 인간에 적용하는 것에는 연구가 더 필요할 것으로 보인다.
5. 중간엽줄기세포 (Mesenchymal stem cell, MSC):
중간엽Stem cell(Mesenchymal stem cell)는 골수, 지방조직 그리고 탯줄 등으로부터 추출하기 쉬운 Stem cell로, 손상을 입거나 염증이 생긴 조직, 그리고 암 조직에 축적되는 것으로 알려져있다.
그렇기 때문에 이들은 이미 재생의학(regenerative medicine)이나 이식편대숙주병(graft-versus-host disease)을 치료하는 데 사용되고 있다. 암 조직에도 역시 중간엽 Stem cell가 축적이 되기 때문에 유전자 치료에 이용할 수 있는 가능성이 있다.
하지만 아직 이에 대해 보고된 바는 없으며 종양 괴사 인자 알파를 유도하는 유전자의 도입이 중간엽 Stem cell 를 이용한 유전자 치료에 이용될 수 있을 것이라고 Keiya Ozawa 박사 팀은 제안하고 있다.
6. 신경줄기세포 (neural stem cell, NSC):
신경아교종(glioma)는 뇌에 생기는 종양으로, 이러한 종양세포들이 정상적인 뇌 조직을 파괴하고 뇌 속을 돌아다녀 치료가 까다로운 질병으로 알려져 있다.
2016년 노스캐롤라이나대학교의 Hingtgen 교수 연구팀은 유도신경Stem cell(iNSC, induced Neural Stem Cells)에 렌티바이러스 벡터를 이용하여 암세포의 죽음 수용체(death receptor)를 활성화 시켜 세포사멸을 유도하는 TRAIL(Tumor Necrosis Factor-Related Apoptosis-Inducing Ligand) 유전자를 도입시켜 인간의 신경아교종을 가진 쥐의 뇌에 주사하는 유전자 치료법을 보고하였다.
그 결과 신경아교종을 가진 쥐의 뇌에서 2주만에 종양의 크기가 현저하게 줄어든다는 사실을 발견하여, 인간에서도 난치병인 신경아교종의 치료 가능성을 보여주었다.
많은 사람들이 정상적인 유전자를 갖는 바이러스 벡터를 넣어주는 방식으로 Stem cell 유전자 치료제를 개발했다면, City of Hope Medical Center의 Karen Aboody 박사 연구팀은 다른 방식(enzyme and prodrug therapy)으로 Stem cell를 이용한 유전자 치료에 접근했다. 신경아교종 치료제로 알려진 5-fluorocytosine(5-FC)는 cytosine deaminase(CD) 효소에 의해 5-fluorouracil로 변하며 주변에 있는 분열중인 암세포들을 죽이게 된다.
Karen Aboody 박사 연구팀은 레트로바이러스(retrovirus)를 이용하여 신경Stem cell에 CD를 도입하여 악성(high-grade) 신경아교종을 가진 인간의 뇌에 투여했고, 이 치료 방법은 신경아교종의 완치를 이루어내진 못했지만 환자들의 수명을 유의미하게 증가시켰다.
Karen Aboody 박사 연구팀은 비슷한 컨셉의 유전자 치료에 대해 지속적으로 연구하고 있다.
7. 심장 줄기세포 (cardiac stem cell, CSC):
심장 Stem cell 는 ABCG2 펌프를 가지고 있었으며, 심장조직을 생검 후 특수조건하에 배양해낸 cardiosphere라는 세 포군이 심장을 구성하는 혈관내피세포, 평활근세포, 심근세포 등으로 분화 가능함이 보고되고 있어 광의 의 심장Stem cell의 하나로 받아들여지고 있다. 그러나 현재까지는 그 효능이나 안전성을 확인할 만한 임 상연구 결과들은 많이 보고되고 있지 않은 상태이다.
8. 혈관내피전구세포 (endothelial progenitor cell, EPC):
1997년 말초 혈액내에서 CD34 양성인세포 를 분리하여 배양한 결과 이들이 혈관내피 세포로 분화하며 생체내에서 신생혈관 형성에 참여한다는 사 실을 발표하면서 혈관내피전구세포가 처음으로 알려지게 되었다.
발생, 분화 측면에서 조혈모세포와 가 깝지만 조혈모세포가 혈액세포와 내피세포로 분화되는 과정에서 표면항원의 발현에 따라 구분을 하게 된다. 혈관내피-전구세포는 두 가지 부류가 있는데, 배양초기에 증식하고 그 수명이 2달 이내인 early EPC와, 배양후기에 출현하여 오랫동안 증식할 능력이 있는 late EPC (Outgrowing Endothelial progenitor cell)로 나눌 수 있다.
early EPC는 혈관신생자극을 제공하며, late EPC는 활발하게 증식하 여 새혈관을 구성하는 building block 역할을 담당하는 셈이다. 이들 두 세포를 혼합하여 허혈하지에 주 입할 경우, 같은 수를 이식한다 하더라도 각각의 EPC를 이식 하는 것 보다 신생혈관 조성능력이 훨씬 뛰어나는 synergistic effect를 발휘한다.
