줄기세포 치료(Stem-cell therapy)는 줄기세포를 이용해 질병을 치료하는 것을 말한다. 현재까지 널리 알려진 치료법은 조혈모세포이식(HSCT)이다. 줄기세포 치료는 보통 골수이식의 형태로 이행된다.
신경퇴행성 질환과 당뇨병, 심장병 등 각종 질환에 대한 줄기세포 치료법을 찾아내기 위한 연구가 활발히 진행 중이며, 배아 줄기세포를 분리 및 배양하고, 체세포 핵이전을 이용해 줄기세포를 만들고, 유도 만능줄기세포를 만드는 등의 기술이 발전함에 따라 윤리적인 논란이 커지고 있다.
설
줄기세포 치료 개념
30년 동안 조혈모세포이식은 백혈병이나 림프종과 같은 질환을 가진 사람들을 치료하는데에 사용되어왔다. 줄기세포 이식 관점에서 보면. 기증자의 건강한 골수는 숙주의 몸에 부족한 세포를 만들어 내기 위해 관련 줄기세포들을 다시 만들어낸다. 또한 이식된 줄기세포는 암세포를 죽이는 데 도움을 주는 면역 반응을 만들어낸다. 하지만 이 과정이 과하게 진행될 수도 있고, 이것이 이 치료의 가장 심각한 부작용인 이식 vs 숙주 질병으로 이어질 수 있다.
줄기세포 치료 발전과 예시
대표적인 줄기세포 치료법으로는 2012년 캐나다에서 조건부로 승인된 스테로이드에 반응하지 않는 어린이의 급성 이식 vs 숙주 질환을 관리하는 프로치말이라는 치료법이 존재한다. FDA에서는 제대혈에서 추출한 5개의 조혈모세포 제품을 혈액 및 면역학적 질병 치료에 사용하는 것을 승인했다. 그 이후 아시아에서의 줄기세포 치료 변천사를 살펴보자면, 2013년 일본은 기존 약사법을 개정해 허가받지 않은 줄기세포 치료를 의사 책임하에 시술할 수 있도록 했다. 과거 일본은 기존 약사법상 줄기세포치료제를 의약품으로 분류하고 있으나, 조건부 승인제도를 통해 병원에서 허가받지 않은 줄기세포치료제라도 의사 책임 하에 시술을 허용했다. 2018년 9월 6일, 대만 정부가 6개 항목의 인체 세포 치료를 허가했다. 6개 항목의 인체 세포 치료는 자가말초혈액 조혈모세포 이식, 자가면역세포 치료, 자가지방줄기세포 이식, 자가섬유아세포 이식, 자가골수중간엽줄기세포 이식, 자가연골세포 이식을 말한다. 말기암 환자, 1~3기의 암 환자, 중증화상 환자, 퇴행성 관절염 환자 등 수만명이 신약 임상실험이나 해외 원정 치료 없이 대만에서 세포 치료를 할 수 있게 되었다. 2018년 12월, 일본 정부는 세계 최초로 척수손상 치료를 위한 줄기세포치료제의 상용화를 허용했다. 2019년 3월 5일, 네이처지에 줄기세포 치료로 에이즈 환자를 치료한 2번째 사례가 발표되었다. 2007년 첫 사례인 베를린 환자가 나온 이후 12년 만이다. CCR5 유전자를 생성하지 않게 돌연변이가 된 조혈모세포를 에이즈 환자에 이식하자, HIV가 완전히 사라졌다. 18개월 후에 다시 검사해도 HIV가 검출되지 않았다. HIV에는 CCR5 외에 다른 유전자를 이용하는 종류도 있다. 현재의 두 임상 사례는 모두 CCR5를 감염 수단으로 쓰는 HIV에만 작동한다.
줄기세포 치료 연구 상황
줄기세포는 여러 가지 이유로 연구되고 있는데, 줄기세포에서 분비되는 분자와 엑소좀도 약물을 만들기 위해 연구되고 있다. 세포 자체의 기능 외에, 줄기세포에서 생산되는 측분비 수용성 인자가 퇴행성, 자가면역, 염증성 질환에서 줄기세포를 기반으로 한 메커니즘이 밝혀져 치료법이 연구되고 있다.
연구
줄기세포 배양
줄기세포가 연구나 치료에 이용되기 위해서는 양질의 줄기세포가 대량으로 필요하다. 줄기세포의 잠재력을 잃지 않고 체외에서 각 순수 조직의 줄기세포를 생산하기 위한 배양 시스템을 개발하는 것이 필요하다. 현재는 2차원 및 3차원 세포 배양 시스템이 존재한다.
2차원 세포 배양 시스템은 지난 40년간 전 세계 수천 개의 실험실에서 일상적으로 수행되었다. 2차원 세포 배양에서, 세포는 바닥 측의 단단하고 평평한 표면, 그리고 정 단면의 액체에 노출된다. 2차 세포 배양의 경우, 세포에 대해 각 세포 유형에 고유한 세포 외 기질이 결여되어 세포 대사를 변화시키고 그 기능성을 감소시킬 수 있기 때문에 생존 세포에 대한 극적인 적응이 필요하다.
3차원 세포 배양 시스템은 줄기 세포에 대한 생체 모방 미세 환경을 생성 할 수 있으며, 생체 내에서의 고유한 세포 외 기질(ECM)과 유사하다. 최근 수십 년 동안 첨단 생체 재료는 3 차원 세포 배양 시스템에 크게 기여 했으며 줄기세포 증식과 분화를 개선하기 위해 더욱 독특하고 복잡한 생체 재료가 제안되었다. 그 중에서도 나노구조화된 생체 재료는 표면적 대 부피비가 유리한 특징을 가지며 나노 규모에서 천연 ECM의 물리적 및 생물학적 특징을 모방하기 때문에 특히 관심의 대상이 된다.
재생 치료 모델
줄기세포는 1)항염증 효과 제공 2)손상된 조직에 대한 원점 복귀 및 조직 성장에 필요한 내피 전구 세포와 같은 세포 모집, 3)흉터 형성을 통한 조직 재형성 도움 4)세포사멸 억제 5)뼈, 연골, 힘줄 및 인대 조직으로의 분화.의 5가지 주요 메커니즘을 통해 회복을 중재하는 것으로 생각된다. 손상된 부위로의 혈액 공급을 더욱 증가시키고, 결과적으로 조직 재생을 촉진하기 위해, 혈소판이 풍부한 혈장을 줄기세포 이식시 함께 이식될 수 있다.
줄기세포는 또한 표면에서 발현되는 비교적 적은 수의 MHC 분자로 인해 낮은 면역 원성을 갖는 것으로 알려져 있다. 또한 면역 반응을 회피시키고, 새로운 조직의 내성을 촉진하는 케모카인을 분비하는 것으로 밝혀졌다. 이것은 큰 면역 거부반응의 위험없이 동종 이계 치료를 수행할 수 있게한다. 일부 줄기세포의 효능이 전달 방법에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 뼈를 재생시키기 위해 줄기세포는 기능성 뼈의 생성을 위해 필요한 미네랄을 생산하는 스케폴드에 종종 도입된다.
약물 발견 및 생의학 연구
줄기세포의 직접 분화를 통해 생체 외에서 기능을 나타내는 성인 조직을 계속하여 배양시키는 능력은 약물 연구를 위한 새로운 기회를 만든다. 연구자들은 분화된 세포를 성장시킨 다음 각 세포 유형에 대해 새로운 약물을 시험하여 생체 내 연구를 수행하기 전에 생체 왜에서의 상호 작용을 검사 할 수 있다. 이 약물 시험은 종-특이적 상호 작용의 가능성 때문에 수의학 연구에 사용하기 위한 약물 개발에 중요하다. 생체 외에서 인간 조직에 대한 영향이 동물 시험 단계 이전에 대략적인 메커니즘 및 결과를 제공 할 것이기 때문에, 동물 실험의 필요성이 감소 될 것이라는 희망이있다. 유도된 다능성 줄기세포(iPSC)의 출현으로, 멸종 위기종의 동물에 사용하기 위한 치료법이 탐구되고 만들어졌다. 배아나 난소를 확보할 필요없이, 연구자들은 비 침습적 기법으로 인해 중간엽 줄기세포를 더 쉽게 제거하고 동물에 대한 위험을 크게 줄일 수 있다.
줄기세포 공급원
재생 요법을 목적으로하는 대부분의 줄기세포는 일반적으로 환자의 골수 또는 지방 조직에서 분리된다. 중간엽 줄기세포(MSC)는 뼈, 연골, 힘줄 및 인대뿐만 아니라 근육, 신경 및 다른 조직을 구성하는 세포로 분화 될 수 있다. 손상된 조직으로 이식 된 줄기세포의 수는 치료 효능을 변화시킬 수 있다. 이를 위해 하나의 예시로 골수로부터 유래된 줄기세포는 수백만개의 세포로 증식하기 위해 실험실에서 배양된다. 지방 유래 조직은 또한 사용전에 가공을 필요로 하지만, 지방 유래 줄기세포에 대한 배양 방법은 골수 유래 세포에 대한 것만큼 광범위하지는 않다. 골수 유래 줄기세포가 뼈, 연골, 인대 및 힘줄 복구에 바람직하다고 생각되는 반면, 다른 연구자들은 지방 유래 줄기세포 분획에 이미 존재하는 비교적 수월한 수집 기술 및 다세포 미세 환경이 자가 이식을 위한 바람직한 공급원이라고 생각한다.
동물에 대한 최소한의 위험으로 확보할 수 있는 용이성 때문에 진피와 피부 줄기세포 공급이 연구되고있다. 조혈모 세포는 또한 혈류를 통해 이동하는 것으로 밝혀졌으며, 다른 중간엽 줄기세포와 동일한 분화 능력을 갖고 있으며, 비 침습적인 방법을 통해 확보할 수 있는 장점이 있다.
최근 여분의 배아 중간엽 줄기세포의 사용에 대한 관심이 많아졌다. 다른 동물들의 제대, 노른자 및 태반에서 발견되는 줄기세포의 분화 능력을 조사하는 연구가 진행 중이다. 이들 줄기세포는 내배엽 및 외배엽 기원의 조직을 보다 쉽게 형성하는 능력을 포함하여, 그들의 성체가 만들 수 있는 능력보다 더 차별화 된 능력을 갖는 것으로 생각된다
배아 줄기세포
인간 배아 줄기세포의 사용에 대한 논란이 확산되고 있다. 이 논쟁은 주로 배아 줄기세포의 파괴를 필요로 하는 새로운 배아 줄기세포를 수확하는 데 사용되는 기술을 대상으로 한다. 인간 배아 줄기세포를 연구에 사용하는 것에 대한 반대는 종종 철학적, 도덕적, 종교적 반대에 근거한다. 인간 배아의 파괴를 수반하지 않는 다른 줄기세포 연구도 있는데, 그러한 연구에는 성인 줄기세포, 양수 줄기세포, 유도 만능 줄기세포가 포함된다.
2009년 1월 23일, 미국 식품의약국은 인간에 대한 배아 줄기세포 기반 치료의 첫 임상시험 개시를 위해 게론사(Geron)에 허가를 내주었다. 이 시도는 급성 척수손상자에게 배아 줄기 세포에서 유래된 희소돌기신경교 전구 세포의 약물(GRNOPC1)을 평가하는 것을 목표로 했다. 2013년 생명공학 및 재생의학 기업 바이오타임(AMEX: BTX)은 임상시험 재개를 목적으로 주식거래로 게론의 줄기세포 자산을 취득하였다.
중간엽 줄기세포
과학자들은 해동 후 몇 시간 이내에 수혈된 중간엽 줄기세포(MSC)는 세포 성장 로그 단계에 있는 중간엽 줄기세포에 비해 기능이 떨어지거나 질병 치료에 효과가 떨어질 수 있으므로 냉동 보관된 중간엽 줄기세포를 관리하기 전에 세포 성장 로그 단계로 되돌려야 한다고 보고했다. 이 상태의 중간엽 줄기세포를 수확하는 것은 세포가 얼고 해동하는 동안 받는 충격으로부터 회복하는 데 도움이 될 것이다. 해동 직후의 중간엽 줄기세포를 사용한 다양한 임상시험은 신선한 중간엽 줄기세포를 사용한 임상시험에 비해 효과가 좋지 못한 것을 보고하였다.
줄기세포 활용
신경 퇴화
파킨슨병, 근위축성 측삭 경화증 및 알츠하이머 병과 같은 뇌 퇴행성 동물 모델에 대한 줄기세포의 영향에 대한 연구가 수행되었다. 다발성 경화증과 관련된 사전 연구들이 있다. 건강한 성인 뇌에는 신경 줄기세포가 존재하며, 이 줄기세포는 일반적인 줄기세포 수를 유지하기 위해 분열하거나 전구 세포가 된다. 전구 세포는 뇌 내에서 이동하여 주로 후각을 위한 뉴런 집단을 유지하는 기능을 한다. 내인성 신경 줄기세포의 약리학적 활성화는 신경계 장애의 쥐 모델에서 신경 보호 및 행동 회복을 유도하는 것으로 보고되었다.
시각 장애
2003년부터 연구원들은 시력을 회복시키기 위해 각막 줄기 세포를 손상된 눈에 성공적으로 이식했다. 이 팀이 사용하는 망막 세포 시트는 낙태 된 태아로부터 확보되며 일부 사람들은 불쾌감을 느낀다." 이 줄기세포 시트가 손상된 각막에 이식되면 줄기세포는 회복을 자극하여 결국 시력이 회복된다. 2005년까지 영국 서섹스 퀸 빅토리아 병원 (Queen Victoria Hospital of Sussex)의 연구자들이 동일한 기술을 사용하여 대략 40여명의 시력을 회복시켰다.
상처 회복
줄기세포는 인간 조직의 성장을 자극하는데 사용될 수 있다. 성인이 된 후, 상처 입은 조직은 피부에서 조직화 된 콜라겐 구조, 모낭의 손실 및 불규칙한 혈관 구조로 특징 지어지는 흉터 조직으로 가장 자주 대체된다. 그러나 태아 조직의 경우, 상처를 입은 조직은 줄기세포의 활동을 통해 정상 조직으로 대체된다. 성인에서 조직 재생을 위해 사용 가능한 방법은 성인 줄기세포를 상처 층의 조직 층 내에 위치시키고 줄기세포가 조직 층 세포로의 분화를 자극하게 하는 것이다. 이 방법은 성인 흉터 조직 형성보다 태아 상처 치유와 더 유사한 재생 반응을 이끌낸다.
뇌와 척수손상
뇌졸중과 외상성 뇌 손상은 뇌에서 뉴런과 희소돌기신경교의 손실을 특징으로하는 세포 사멸을 초래한다. 척수 손상의 경우 줄기세포의 사용에 대한 임상 및 동물 연구가 여럿 수행되었다.
혈액 세포 형성
인간 면역 세포 레퍼토리의 특이성은 항원으로부터 인체가 빠르게 적응하여 스스로를 방어 할 수 있게 하는 것이다. 조혈 세포 질병은 혈액 병리학으로 알려진 병리학의 하위 전문성을 통해 진단되고 분류된다. 면역 세포의 특이성은 외래 항원의 인식을 허용하여 면역 질환 치료 연구를 가능하게 한다. 하지만 성공적인 이식 치료를 위해 기증자와 수령자 사이의 동일한 일치가 이루어져야하지만 1 차 친척 사이에서도 일치가 드물다. 조혈 성체 줄기세포 및 배아 줄기세포 둘 다를 사용한 연구는 이러한 많은 질병에 대한 가능한 메커니즘 및 치료 방법에 대한 통찰력을 제공했다.
심장
심장에서의 성인 줄기세포 치료법이 여러 임상 시험 중 몇가지 연구만 봐도 실제로 안전하고 효과적이라는 증거가 보고되고 있다. 일부 임상 시험에서 골수 줄기세포 요법을 사용한 후 심장기능이 완만하게 개선된 사례가 있다. 또한 심근 경색의 치료를 위한 줄기세포 요법은 일반적으로 자가 골수 줄기세포를 사용하지만, 지방-유래 줄기세포와 같은 다른 유형의 성체 줄기세포가 사용될 수 있다.
가능한 회복 메커니즘은 다음과 같다.
- 심장 근육 세포의 생성
- 새로운 혈관 성장 촉진
- 성장 인자 분비
치아 재생
2004년 런던 킹스 대학(King's College London)의 과학자들은 쥐에서 완전한 치아를 재생하는 방법을 발견했으며, 실험실에서 생체 공학적으로 만들어진 치아를 만들었다. 연구자들은 치아 재생 기술을 사용하여 사람의 치아를 키울 수 있다고 확신한다. 이론적으로, 환자로부터 확보한 줄기세포는 잇몸에 이식되면 새로운 치아가 생겨 3 주에 걸쳐 성장할 것으로 예상 된다. 이식된 줄기세포는 턱뼈와 융합하고 신경과 혈관이 연결되도록하는 화학 물질을 방출한다. 이 과정은 원래의 치아가 자랄 때 일어나는 현상과 유사하다. 그러나 줄기세포가 미래에 빠진 치아를 대체 하기 위한 선택이 되기 전에 많은 한계가 남아 있다.
정형외과학
성체 줄기세포로부터 유래된 중간엽 줄기세포(MSC)의 사용은 특히 뼈 및 근육 외상, 연골 복구, 골관절염, 추간판 수술, 회전근개 수술 및 근골격계 장애에서 외과적 적용에 대한 연구가 되고 있다.
후천성면역결핍증
HIV에 의한 면역계의 파괴는 말초 혈액 및 림프 조직에서 CD4 + T 세포의 손실에 의해 유발된다. CD4 + 세포로의 바이러스 진입은 케모카인 수용체와의 상호 작용에 의해 매개되며, 가장 흔한 것은 CCR5 및 CXCR4이다. 바이러스 복제는 세포 유전자 발현 과정을 필요로 하기 때문에, 활성화된 CD4 + 세포는 HIV 감염의 주요 표적이다. 최근에 과학자들은 자가 유전자 변형(HIV-1- 내성)조혈 줄기 및 전구 세포의 이식을 통한 질병 내성 면역 시스템의 생성을 기반으로 HIV-1 / AIDS 치료에 대한 접근 방법을 연구하고 있다.
항암 치료
1994년 캐나다 토론토 대학교 연구팀이 혈액암 환자에게서 암 조직을 형성할 수 있는 '암 줄기세포'를 세계 최초로 발견했다. 이후 뇌종양과 대장암, 유방암과 간암, 위암, 췌장암, 피부암 등 여러 암 조직에서 '암 줄기세포'의 존재가 보고되었다. '암 줄기세포'는 암 조직 내에서 1~3%만 있을 정도로 극소수로 존재한다. 외과수술이나 항암제 치료로 암세포를 거의 다 죽였다가 암이 되살아 나는 것은 암 줄기세포 때문이다.