줄기세포 및 재생 성형 의학

오늘날, 전통 의학과 대체 의학으로는 이전에는 치료할 수 없었던 가장 심각한 질병의 치료에 새로운 방향이 생겨나고 있다는 사실을 모르는 의사는 거의 없습니다. 바로 줄기세포의 재생 잠재력을 활용하는 재생 가소성 의학에 대해 이야기하고 있습니다. 이 발전 방향을 둘러싼 전례 없는 과학적 논의와 사이비 과학적 과대 광고가 생겨났는데, 이는 주로 월드 와이드 웹의 정보 과장 덕분입니다. 짧은 시간 안에 줄기세포의 치료 가능성에 대한 실험실 연구는 단순한 실험을 넘어 실제 의학에 적극적으로 도입되기 시작했으며, 이는 과학적, 윤리적, 종교적, 법적, 입법적 측면에서 수많은 문제를 야기했습니다. 국가 및 공공 기관은 줄기세포가 배양접시에서 정맥 투여 시스템으로 빠르게 전환되는 속도에 대한 준비가 되어 있지 않은 것으로 드러났습니다. 이는 사회 전체나 특정 환자 모두에게 이롭지 않습니다. 줄기세포의 능력에 대한 상상할 수 없는 양의 정보는 양적, 질적으로 모두 이해하기 쉽지 않습니다. (전문가가 없기 때문에 모두가 스스로 새로운 과학적 추세를 파악하려고 노력하고 있습니다.) 재생 성형 의학에 직접 관여하지 않는 의사는 말할 것도 없습니다.

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왜 이런 실험이 필요한가? 그리고 이런 실험이 전혀 필요한가?

언뜻 보기에 세포 간 키메라의 생성은 생명윤리를 망각한 광신적인 과학자의 억제할 수 없는 환상의 산물입니다. 그러나 이러한 접근 방식은 기관 형성(간, 뇌, 피부, 그리고 면역 체계 기관의 형성)에 필요한 세포 수를 계산할 수 있게 함으로써 배아 발생에 대한 우리의 근본적인 지식을 크게 확장했습니다. 또한 (아마도 이것이 배아 줄기 세포 생물학에서 가장 중요한 부분일 것입니다), 유전학자들은 배아의 키메라화 과정에서 유전자의 기능적 목적을 규명할 수 있는 독특한 도구를 얻게 되었습니다. 먼저, 특수한 이중 녹아웃 기법을 사용하여 배아 줄기 세포에서 연구 대상 유전자 쌍을 "스위치 오프"합니다. 그런 다음, 이러한 배아 줄기 세포를 배반포에 도입하여 발달 중인 키메라 배아의 체내에서 발생하는 변화를 모니터링합니다. 이러한 방식으로 sf-1(부신 및 생식기 발달), urt-l(신장 기원), muoD(골격근 발달), gata-l-4(적혈구 생성 및 림프구 생성 기원) 유전자의 기능이 규명되었습니다. 또한, 아직 연구되지 않은 인간 유전자를 실험실 동물의 배아줄기세포에 도입(트랜스펙션)하여 키메라 배아를 이용하여 그 기능을 확인할 수 있습니다.

하지만 일반적으로 새로운 기초 지식을 얻음으로써 실험을 정당화하는 것은 광범위한 지지를 받지 못합니다. 배아줄기세포를 이용한 키메라화의 응용적 의의를 예를 들어 보겠습니다. 우선, 이는 이종이식, 즉 동물 장기를 인간에게 이식하는 것입니다. 이론적으로 인간-돼지 세포 키메라를 만들면 항원 특성이 배아줄기세포 기증자와 훨씬 유사한 동물을 얻을 수 있으며, 이는 다양한 임상 상황(당뇨병, 간경변)에서 환자의 생명을 구할 수 있습니다. 물론, 이를 위해서는 먼저 성숙한 체세포의 유전체에 전능성을 되돌리는 방법을 연구해야 하며, 그 후 발달 중인 돼지 배아에 이식할 수 있습니다.

오늘날, 특수 배양 조건 하에서 거의 무한히 분열할 수 있는 배아줄기세포의 능력을 이용하여 전능성 세포 덩어리를 생성하고, 이를 도파민 신경세포와 같은 특수 세포로 분화시킨 후 파킨슨병 환자에게 이식합니다. 이 경우, 이식에 앞서, 얻어진 세포 덩어리를 미분화 세포로부터 처리 및 정제하는 데 필요한 특수 세포로 표적 분화시키는 과정이 필수적으로 진행됩니다.

나중에 밝혀진 바와 같이, 발암 위협은 세포 이식의 유일한 장애물이 아니었습니다. 배아체에서 배아줄기세포는 자발적으로 이질적으로 분화합니다. 즉, 다양한 세포주(뉴런, 각질형성세포, 섬유아세포, 내피세포)의 유도체를 형성합니다. 이 경우 현미경 시야에서 심근세포는 다양한 표현형을 가진 세포들 사이에서 두드러지게 나타나며, 각 세포는 고유한 리듬으로 수축합니다. 그러나 환자를 치료하려면 순수한 세포 집단이 필요합니다. 뇌졸중의 경우 뉴런, 심근경색의 경우 심근세포, 당뇨병의 경우 췌장의 β세포, 화상의 경우 각질형성세포 등이 있습니다.

세포 이식학 발전의 다음 단계는 충분한 수(수백만 개의 세포)의 순수 세포 집단을 얻는 기술 개발과 관련이 있었습니다.배아 발생 동안 ESC의 합성 순서가 알려지지 않았기 때문에 ESC의 지향성 분화를 일으키는 요인에 대한 탐색은 본질적으로 경험적이었습니다.처음에는 ESC 배양액에 cAMP와 레티노산을 첨가하여 노른자낭 형성을 유도한다는 것이 확인되었습니다.조혈 세포주는 배양 배지에서 1L-3, SCF, 섬유아세포 성장 인자(FGH), 인슐린 유사 성장 인자(IGF-1), 1L-6 및 과립구 집락 자극 인자(G-СSF)의 존재 하에 형성되었습니다.신경계 세포는 LIF와 피더 역할을 하는 섬유아세포 층을 제거한 후 ESC에서 형성되었습니다. 태아 혈청 존재 하에 레티노산 처리 후, 배아줄기세포는 신경세포로 분화되기 시작하였고, 세포핵에 소수성 신호전달 분자를 표적 전달하는 디메틸설폭사이드(DMSO)를 첨가하여 심근세포를 얻었다. 이 경우, 배양액 내 활성 산소종의 축적과 전기 자극이 성숙한 수축성 심근세포의 형성에 기여했다.

배아줄기세포가 췌장의 인슐린 생성 세포로 분화하는 조건을 찾는 데 막대한 노력과 자원이 투입되었습니다. 그러나 "자극 인자 1개 - 세포주 1개"의 원리에 따라 자극을 받았을 때 여러 특수 세포주(췌장 β 세포, 면역 및 내분비 세포, 지방 세포)가 배아줄기세포에서 생성되지 않는다는 것이 곧 분명해졌습니다. 이 원리는 제한된 수의 세포주에만 유효한 것으로 밝혀졌습니다. 특히, 신경세포 형성은 레티노산에 의해, 근육 세포주는 형질전환 성장 인자-β(TCP-β)에 의해, 적혈구 세포주는 1L-6, 단핵구-골수 세포주는 1L-3에 의해 유도될 수 있습니다. 더욱이, 이러한 인자들이 배아줄기세포 분화에 미치는 영향은 용량 의존적이라는 것이 밝혀졌습니다.

배아줄기세포(ESC)를 중배엽(심근세포, 골격근, 신세뇨관 상피, 골수적혈구형성세포, 평활근 세포의 근원), 외배엽(표피, 뉴런, 망막), 내배엽(소장 상피와 분비샘, 폐포세포) 형성을 촉진하는 배아발생 후기 단계로 발전시킬 성장인자 조합을 찾는 단계가 시작되었습니다. 자연은 연구자들이 배아발생 과정을 페트리 접시에서 반복하며 원하는 결과를 즉시 쉽게 얻을 기회를 주지 않고, 배아발생 과정을 따라가도록 강요하는 듯했습니다. 그리고 이러한 성장인자 조합이 발견되었습니다. TGF-β와 함께 사용되는 액티빈 A는 배아줄기세포에서 중배엽 세포 형성을 강력하게 자극하는 동시에 내배엽과 외배엽의 발달을 차단하는 것으로 밝혀졌습니다. 레티노산과 골수 형태형성 단백질(BMP-4) 및 상피세포 성장인자(EGF) 신호의 조합은 외배엽 및 중배엽 세포 형성을 활성화하여 내배엽 발달을 멈춥니다. 배아줄기세포에 작용하는 두 가지 인자, 즉 간세포 성장인자(HGF)와 신경세포 성장인자가 동시에 작용하여 세 배엽 모두의 활발한 세포 성장이 관찰됩니다.

따라서 필요한 세포주를 얻으려면 먼저 배아줄기세포를 특정 배엽 세포 형성 단계로 이동시킨 후, 외배엽, 중배엽, 내배엽을 환자에게 이식하는 데 필요한 특수 세포로 분화시키는 데 필요한 새로운 성장인자 조합을 선택해야 합니다. 현재 수천 가지의 성장인자 조합이 존재하며, 대부분은 특허를 받았지만, 일부는 생명공학 기업에서 전혀 공개하지 않고 있습니다.

미분화된 세포 불순물로부터 얻은 세포를 정제할 차례였습니다. 배양액에서 분화된 세포는 성숙 세포주의 마커로 표지하고 고속 레이저 면역 표현형 분류기를 통과시켰습니다. 레이저 빔은 일반적인 세포 흐름에서 이 세포들을 찾아 별도의 경로로 이동시켰습니다. 실험실 동물에게 정제된 세포 물질을 가장 먼저 투여했습니다. 질병 및 병리학적 과정 모델에서 배아줄기세포(ESC) 유도체를 사용하는 것의 효과를 평가할 차례였습니다. 그러한 모델 중 하나는 도파민 신경세포를 파괴하는 화합물을 사용하여 동물에서 잘 재현되는 실험적 파킨슨병이었습니다. 인간의 이 질병은 도파민 신경세포의 후천적 결핍에 기반하기 때문에, 이 경우 대체 세포 치료법을 사용하는 것은 병인학적으로 정당화되었습니다. 실험적 편측파킨슨병을 가진 동물에서, 배아줄기세포에서 추출하여 뇌 구조에 도입한 도파민 신경세포의 약 절반이 뿌리를 내렸습니다. 이는 질병의 임상적 증상을 현저히 감소시키기에 충분했습니다. 실험적 뇌졸중, 부상, 심지어 척수 파열로 인해 손상된 중추신경계 구조의 기능을 회복하려는 시도는 매우 성공적인 것으로 입증되었습니다.

그러나 실험적 병리 교정을 위해 분화된 배아줄기세포 유도체를 성공적으로 사용한 거의 모든 사례가 모의 병리학적 상황의 급성기에 이루어졌다는 점에 유의해야 합니다. 원격 치료 결과는 그다지 만족스럽지 않았습니다. 8~16개월 후, 세포 이식의 긍정적 효과가 사라지거나 급격히 감소했습니다. 그 이유는 매우 명확합니다. 이식된 세포의 체외 또는 사후(loco morbi) 분화는 필연적으로 유전적 이질성을 나타내는 세포 마커의 발현을 초래하여 수혜자 신체의 면역 공격을 유발합니다. 면역학적 부적합 문제를 해결하기 위해 전통적인 면역억제제가 사용되었으며, 이와 병행하여 임상 시험을 통해 면역 충돌을 일으키지 않는 자가 조혈모세포 및 중간엽줄기세포의 전환분화 및 유전적 교정의 잠재력이 실현되기 시작했습니다.

재생성형의학이란?

진화는 세포 수명을 마감하는 두 가지 주요 경로, 즉 괴사와 세포자멸사를 확립했습니다. 이는 조직 수준에서 증식과 재생 과정에 해당합니다. 증식은 손상된 조직의 결함이 결합 조직 요소로 대체되어 채워지는 일종의 희생으로 볼 수 있습니다. 신체는 구조적 온전성을 유지하면서도 영향을 받은 장기의 기능을 부분적으로 상실하고, 이는 손상되지 않은 구조적 및 기능적 요소의 비대 또는 과형성을 동반하는 보상 반응의 후속 발달을 결정합니다. 보상 기간은 1차 및 2차 변형 요인으로 인한 구조적 손상의 크기에 따라 달라지며, 그 후에는 대부분의 경우 비대상화(decompensation)가 발생하여 삶의 질이 급격히 저하되고 수명이 단축됩니다. 생리적 재생은 리모델링 과정, 즉 자연적인 세포 사멸(세포자멸사) 메커니즘을 통해 노화되고 죽어가는 세포를 인체의 줄기세포에서 유래한 새로운 세포로 대체하는 과정을 보장합니다. 회복적 재생 과정에는 줄기세포 공간의 세포 자원도 관여하지만, 이 자원은 질병이나 조직 손상과 관련된 병리학적 조건에서 동원되어 괴사 메커니즘을 통해 세포 사멸을 시작합니다.

과학자, 의사, 언론, 텔레비전, 그리고 대중이 배아줄기세포(ESC)의 생물학 연구에 주목하는 것은 무엇보다도 세포 치료, 또는 우리가 재생-가소성 치료라고 부르는 치료의 높은 잠재력 때문입니다. 가장 심각한 인간 질병(중추신경계의 퇴행성 질환, 척수 및 뇌 손상, 알츠하이머병 및 파킨슨병, 다발성 경화증, 심근경색, 고혈압, 당뇨병, 자가면역 질환 및 백혈병, 화상 및 종양성 질환 등)을 치료하는 방법의 개발은 줄기세포의 고유한 특성에 기반합니다. 줄기세포는 이전에는 질병에 걸린 유기체의 비가역적으로 손상된 조직 영역을 대체할 새로운 조직을 생성할 수 있도록 합니다.

지난 10년간 줄기세포 생물학에 대한 이론적 연구의 진전은 신생 재생가소성 의학 분야에서 자연스럽게 출현하면서 이루어졌습니다. 재생가소성 의학의 방법론은 체계화에 매우 적합할 뿐만 아니라 체계화를 요구하기도 합니다. 줄기세포의 재생 잠재력을 실용화하는 데 있어 가장 먼저 그리고 가장 빠르게 발전하는 분야는 대체 재생가소성 치료입니다. 심근괴사 동물 실험부터 최근 몇 년간 심근경색 후 결핍된 심근세포를 회복시키거나 췌장의 베타세포와 중추신경계의 도파민 신경세포 손실을 보충하기 위한 연구까지, 그 과정은 과학 문헌에서 쉽게 찾아볼 수 있습니다.

세포 이식

대체 재생-가소성 의학의 기반은 세포 이식입니다. 후자는 환자의 신체가 단기간 또는 장기간 자가, 동종, 등가 또는 이종 유래의 생존 가능한 세포와 직접 접촉하는 복잡한 의료 조치로 정의되어야 합니다. 세포 이식 수단은 줄기세포 또는 그 유도체의 현탁액이며, 이는 이식 단위 수로 표준화됩니다. 이식 단위는 배양액 내 콜로니 형성 단위 수를 이식된 세포 총 수로 나눈 비율입니다. 세포 이식 방법은 다음과 같습니다. 줄기세포 또는 그 유도체 현탁액의 정맥 내, 복강 내, 피하 투여; 줄기세포 또는 그 유도체 현탁액의 뇌실, 림프관 또는 뇌척수액 투여.

동종 및 자가 세포 이식은 줄기세포의 다능성, 다능성 또는 다능성 잠재력을 구현하는 데 있어 근본적으로 다른 두 가지 방법론적 접근 방식, 즉 생체 내 또는 시험관 내 접근 방식을 사용합니다. 첫 번째 경우, 줄기세포를 환자 체내에 도입하는 과정은 예비 분화 과정 없이 진행되며, 두 번째 경우, 배양 후 미분화된 세포로부터 표적 분화 및 정제 과정을 거칩니다. 대체 세포 치료의 수많은 방법론적 기법 중 세 가지 그룹은 매우 명확하게 구분됩니다. 골수 및 혈액 세포 대체, 장기 및 연조직 세포 대체, 그리고 신체의 경직성 및 고형성 세포(연골, 뼈, 힘줄, 심장 판막, 용량성 혈관) 대체입니다. 후자는 줄기세포의 분화 잠재력이 대체된 신체 부위와 유사한 형태의 생물학적으로 불활성이거나 흡수 가능한 구조인 기질에서 실현되므로 재건 및 재생 의학으로 정의해야 합니다.

손상된 조직에서 재생-가소성 과정의 강도를 증가시키는 또 다른 방법은 과립구 및 과립구-대식세포 콜로니 자극 인자와 같은 외인성 성장 인자를 이용하여 환자 자신의 줄기세포 자원을 동원하는 것입니다. 이 경우, 기질 연결의 파열은 조혈모세포가 전신 혈류로 방출되는 것을 증가시키며, 조혈모세포는 고유한 가소성을 통해 조직 손상 부위에서 재생 과정을 제공합니다.

따라서 재생 의학의 방법은 환자 자신의 줄기세포를 동원하거나 동종 세포 물질을 도입하여 상실된 기능을 회복하는 과정을 자극하는 것을 목표로 합니다.

배아줄기세포 발견의 중요한 실질적 성과 중 하나는 배아발생의 유발 요인 이해에 기반한 치료용 복제입니다. 배아발생 시작의 초기 신호가 난모세포질에 위치한 전-mRNA 복합체라면, 체세포의 핵이 핵이 제거된 난자에 도입되면 배아 발달 프로그램이 시작될 것입니다. 오늘날 우리는 이미 약 15,000개의 유전자가 배아발생 프로그램에 관여한다는 것을 알고 있습니다. 이 유전자들은 출생 후 성장, 성숙, 노화 과정에서 어떻게 될까요? 이 질문에 대한 답은 돌리 양에 의해 제시되었습니다. 바로 '보존'입니다. 최첨단 연구 방법을 통해 성체 세포의 핵이 배아줄기세포 형성, 배아층 형성, 기관 형성, 그리고 중간엽, 외배엽, 내배엽, 중배엽 유래 세포주의 제한 성숙(분화 및 특수화로의 전환)에 필요한 모든 유전자를 보유하고 있다는 것이 증명되었습니다. 치료적 복제는 세포 이식학의 초기 단계부터 형성되었으며, 유전적으로 동일한 이식 물질을 얻기 위해 환자 자신의 체세포에 전능성을 회복하는 것을 목표로 합니다.

줄기세포의 발견은 "끝에서부터" 시작되었습니다. A. 막시모프가 생물학과 의학에 도입한 용어가 말초혈액의 모든 성숙한 세포 요소를 생성하는 골수 줄기세포를 지칭했기 때문입니다. 그러나 성체의 모든 조직 세포와 마찬가지로 조혈 줄기세포도 분화가 덜 된 자체 전구체를 가지고 있습니다. 모든 체세포의 공통적인 기원은 배아 줄기세포입니다. "배아 줄기세포"와 "배아 줄기세포"라는 개념은 결코 동일하지 않습니다. J. 톰슨은 배반포의 내세포괴에서 배아 줄기세포를 분리하여 장수 세포주에 이식했습니다. 이러한 세포들만이 "배아 줄기세포(ESC)"의 복제본을 가지고 있습니다. 생쥐 실험에서 배아 줄기세포를 발견한 리로이 스티븐스는 이 세포들을 "배아 만능 줄기세포"라고 불렀는데, 이는 배아 줄기세포가 세 가지 배엽(외배엽, 중배엽, 내배엽)의 모든 배아층으로 분화할 수 있는 능력을 지칭하는 것입니다. 그러나 발달 후기 단계에 있는 배아의 모든 세포 또한 성체의 몸을 형성하는 수많은 세포를 생성하기 때문에 줄기세포입니다. 이를 정의하기 위해 "배아 만능 전구 세포"라는 용어를 제안합니다.

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줄기세포의 종류

줄기세포의 현대적 분류는 세포주를 만들어낼 수 있는 능력(역가)에 따른 분열 원리에 기반하며, 이는 전능성(toti-), 다능성(pluri-), 다중능성(multi-), 다능성(poly-), 이중능성(bi-), 그리고 단능성(uni-)으로 정의됩니다. 유전적으로 프로그램된 생물 전체를 재생성할 수 있는 전능성은 접합자 세포, 할구, 그리고 배아줄기세포(배반포의 내측 덩어리 세포)가 가지고 있습니다. 배아 발생 후기 단계에서 형성되는 또 다른 전능성 세포 집단은 배아 생식대의 일차 생식 세포(생식 결절)로 대표됩니다. 모든 기관이나 조직의 세포로 분화할 수 있는 전능성은 외배엽, 중배엽, 그리고 내배엽의 세 배엽을 가진 배아 세포에 내재되어 있습니다. 다능성, 즉 하나의 특수한 세포 계통 내에서 어떤 세포든 형성할 수 있는 능력은 두 가지 유형의 세포에만 특징이 있다고 믿어집니다. 신경능선에서 형성되고 신경아교세포를 포함한 신체의 결합 조직 기저에 있는 모든 세포의 전구체인 소위 중간엽 줄기세포와 모든 혈액 세포 계통을 생성하는 조혈 조혈 줄기세포입니다. 또한, 이중능성 줄기세포와 단능성 줄기세포가 구별되며, 특히 골수성, 림프성, 단핵구 및 거핵구 조혈 줄기세포의 전구세포가 있습니다. 단능성 줄기세포의 존재는 간세포의 예를 통해 명확하게 입증되었습니다. 간 조직의 상당 부분이 손실되더라도 분화된 다배체 간세포의 집중적인 분열로 보상됩니다.

발달 과정에서 모든 장기와 조직은 배반포 내세포괴의 증식과 분화의 결과로 형성되며, 이 내세포괴는 엄밀히 말하면 전능성을 가진 배아줄기세포입니다. 배아줄기세포 분리에 관한 최초의 연구는 에반스(Evans)에 의해 수행되었는데, 그는 생쥐의 뇌에 이식된 배반포가 기형암종을 유발한다는 것을 보여주었고, 이 기형암종을 복제하면 다능성 배아줄기세포(이 세포의 원래 명칭인 배아암세포(EcС) 또는 약칭은 현재 사용되지 않음) 계열을 형성합니다. 이러한 데이터는 생쥐를 비롯한 다른 동물 종과 인간의 배반포 세포를 배양하여 배아줄기세포를 얻은 여러 연구에서도 확인되었습니다.

최근 몇 년 동안 줄기세포의 가소성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 가소성은 줄기세포가 발달 단계에 따라 다양한 유형의 세포로 분화할 수 있는 능력뿐만 아니라, 역분화(전환분화, 역분화)를 경험할 수 있는 능력으로 간주됩니다. 즉, 체세포 분화된 세포가 배아 발달 단계로 복귀하여 다능성을 회복하고, 이를 통해 다른 유형의 세포가 반복적으로 분화될 수 있는 근본적인 가능성이 인정되고 있습니다. 특히 조혈모세포는 간세포, 심근모세포, 내피세포를 형성하는 전환분화가 가능하다는 보고가 있습니다.

줄기세포를 가소성에 따라 나누는 것에 대한 과학적 논쟁은 계속되고 있다. 즉, 세포 이식에 대한 용어와 용어집이 형성 과정에 있으며, 이는 대부분의 재생 가소성 의학 방법이 가소성 특성과 줄기세포가 다양한 세포주로 분화할 수 있는 능력을 이용하는 데 기반을 두고 있기 때문에 직접적인 실무적 의의가 있다.

재생가소성 의학의 근본 및 응용 문제 분야의 논문 수가 빠르게 증가하고 있습니다. 줄기세포의 재생가소성 잠재력을 최적으로 활용하기 위한 다양한 방법론적 접근 방식이 이미 제시되었습니다. 심장내과 전문의, 내분비과 전문의, 신경과 전문의, 신경외과 전문의, 이식과 전문의, 혈액과 전문의들은 각자의 시급한 관심 분야를 파악했습니다. 안과 전문의, 폐질환 전문의, 신장과 전문의, 종양과 전문의, 유전과 전문의, 소아과 전문의, 위장과 전문의, 치료사와 소아과 전문의, 외과 전문의, 산부인과 전문의들은 줄기세포의 가소성 능력과 관련된 시급한 문제에 대한 해결책을 모색하고 있습니다. 현대 의학을 대표하는 모든 전문의들은 이전에는 치명적이라고 여겨졌던 질병을 치료할 기회를 얻기를 희망합니다.

세포 이식이 다음 세대의 '만병통치약'이 될 수 있을까?

이 질문은 의학의 현 상황을 분석하는 모든 사려 깊은 의사와 과학자에게 당연히 제기됩니다. 과학적 대립의 한 쪽에는 "건강한 보수주의자들"이 있고, 다른 쪽에는 세포 이식학에 대한 "병든 광신도들"이 있다는 사실 때문에 상황은 더욱 복잡해집니다. 물론 진실은 언제나 그렇듯 그들 사이의 "무인지대"에 있습니다. 법, 윤리, 종교, 도덕의 문제는 논외로 하고, 재생 성형 의학의 특정 분야의 장단점을 살펴보겠습니다. 배아줄기세포의 치료 가능성에 대한 최초의 과학 보고서의 "가벼운 바람"은 발견 1년 후 "돌풍"으로 바뀌었고, 2003년에는 "정보 토네이도"로 변했습니다. 초기 출판물들은 배아줄기세포의 배양, 생식, 그리고 시험관 내 유도 분화에 관한 문제를 다루었습니다.

배아줄기세포를 배양액에서 무한 증식시키려면 몇 가지 조건을 엄격하게 준수해야 한다는 것이 밝혀졌습니다. 조건배지에는 인터루킨-6(IL-6), 줄기세포 인자(SCF), 백혈구분해효소억제인자(LIF)의 세 가지 요소가 존재해야 합니다. 또한, 배아줄기세포는 배아섬유아세포 기질(세포의 영양층)과 태아송아지혈청이 존재하는 환경에서 배양해야 합니다. 이러한 조건이 충족되면, 배양액 속의 배아줄기세포는 클론으로 성장하여 구형 세포의 현탁 클론이 응집된 배아체를 형성합니다. 배아줄기세포 클론의 가장 중요한 특징은 배양액에서 50~60개, 최대 100개의 세포가 응집되면 배아체의 성장을 멈춘다는 것입니다. 이 기간 동안 평형 상태가 발생합니다. 즉, 클론 내부의 세포 분열 속도는 주변부의 세포자멸사(프로그램된 세포사) 속도와 같아집니다. 이러한 동적 평형에 도달한 후, 배아체의 말초 세포는 자발적으로 분화(보통 난황낭, 혈관모세포, 내피세포의 내배엽 단편 형성)를 거치면서 전능성을 상실합니다. 따라서 충분한 전능성을 가진 세포 덩어리를 얻기 위해서는 매주 배아체를 분리하고, 개별 배아줄기세포를 새로운 영양 배지에 이식해야 하는데, 이는 다소 노동 집약적인 과정입니다.

배아줄기세포의 발견은 접합자 DNA에 암호화된 배아발생 프로그램을 정확히 무엇이 어떻게 촉발하는지에 대한 해답을 제시하지 못했습니다. 인간의 생애 동안 유전체 프로그램이 어떻게 전개되는지는 여전히 불분명합니다. 동시에, 배아줄기세포 연구는 줄기세포가 분열하는 동안 전능성, 다능성, 그리고 다분화능을 유지하는 메커니즘에 대한 개념을 발전시키는 것을 가능하게 했습니다. 줄기세포의 주요 특징은 자가증식 능력입니다. 즉, 분화된 세포와 달리 줄기세포는 비대칭적으로 분열합니다. 즉, 딸세포 중 하나는 특수 세포주를 생성하고, 다른 하나는 유전체의 전능성, 다능성, 또는 다분화능을 유지합니다. 배아발생 초기 단계, 즉 배반포의 분열하는 내세포괴가 완전히 전능성을 갖추고 배아줄기세포 유전체가 휴면(수면, 억제) 상태에 있을 때 이러한 과정이 왜, 어떻게 일어나는지는 여전히 불분명합니다. 일반 세포 분열 시 복제 과정에 유전자 복합체 전체의 활성화와 발현이 반드시 선행되는 반면, 배아줄기세포(ESC) 분열 시에는 이러한 과정이 일어나지 않습니다. "왜"라는 질문에 대한 답은 배아줄기세포에 미리 존재하는 mRNA(pre-mRNA)가 존재한다는 사실을 발견하면서 얻어졌습니다. 이 mRNA 중 일부는 난포 세포에서 형성되어 난자와 접합자의 세포질에 저장됩니다. 두 번째 발견은 "어떻게"라는 질문에 대한 답을 제시했습니다. 바로 "에디타제"라는 특수 효소가 배아줄기세포에서 발견된 것입니다. 에디타제는 세 가지 중요한 기능을 수행합니다. 첫째, 유전체의 개입 없이 pre-mRNA의 선택적 후성유전학적 판독 및 복제를 제공합니다. 둘째, pre-mRNA 활성화 과정(스플라이싱 - mRNA의 단백질 합성 과정을 억제하는 비활성 RNA 부분인 인트론을 절단)을 수행한 후 세포 내에서 단백질 분자의 조립이 시작됩니다. 셋째, 에디타제는 유전자 발현 메커니즘의 억제자인 2차 mRNA의 형성을 촉진하여 크로마틴의 고밀도 패킹과 유전자의 비활성 상태를 유지합니다. 이러한 2차 mRNA에서 합성되는 단백질 생성물을 침묵 단백질 또는 유전체 보호자라고 하며, 이는 인간 난자 세포에 존재합니다.

이것이 바로 오늘날 배아줄기세포의 불멸 세포주 형성 기전을 제시하는 방식입니다. 간단히 말해, 전능성 세포 덩어리 형성으로 이어지는 초기 단계인 배아 발생 프로그램을 시작하는 신호는 난자의 세포질에서 나옵니다. 이 단계에서 배반포의 내부 세포 덩어리, 즉 배아줄기세포가 추가적인 조절 신호로부터 분리되면, 세포의 자가 증식 과정은 세포핵 유전자의 개입 없이 (후성유전학적으로) 폐쇄된 순환 체계에서 일어납니다. 이러한 세포에 영양분이 공급되고 세포 덩어리의 분화를 촉진하는 외부 신호로부터 분리되면, 세포는 무한히 분열하여 같은 종류를 복제할 수 있습니다.

전능성 세포를 이식에 사용하려는 실험적 시도의 첫 번째 결과는 매우 인상적이었습니다. 면역억제제로 면역 체계가 약화된 생쥐 조직에 배아줄기세포를 도입한 결과, 100%의 사례에서 종양이 발생했습니다. 배아줄기세포가 기원인 신생물 세포 중에는 전능성 외인성 세포 물질, 특히 뉴런의 분화된 유도체가 있었지만, 기형암종의 성장으로 인해 얻어진 결과의 가치는 완전히 사라졌습니다. 동시에 L. Stevens의 연구에서 복강에 도입된 배아줄기세포는 배아 근육, 심장, 머리카락, 피부, 뼈, 근육, 신경 조직이 단편적으로 형성되는 거대한 응집체를 형성했습니다. (피모낭을 절개한 외과의라면 이러한 현상을 잘 알고 있을 것입니다.) 흥미롭게도, 현탁된 생쥐 배아모세포도 정확히 같은 방식으로 작용합니다. 면역이 저하된 성체 동물의 조직에 도입하면 항상 기형암종이 형성됩니다. 하지만 그러한 종양에서 순수한 배아줄기세포 계통을 분리하여 복강에 이식하면, 발암 징후 없이 세 개의 배아층 모두의 특수화된 체세포 유래 세포가 형성됩니다.

따라서 해결해야 할 다음 문제는 미분화 세포의 불순물로부터 세포 물질을 정제하는 것이었습니다. 그러나 표적 세포 분화 효율이 매우 높더라도 배양된 세포의 최대 20%는 전능성을 유지하는데, 이는 불행히도 생체 내에서 종양 성장에서 나타납니다. 자연의 또 다른 "슬링샷"은 의학적 위험의 규모에서 환자의 회복 보장이 사망 보장과 균형을 이룬다는 것입니다.

종양 세포와 배아줄기세포(ESC)보다 발달이 더 진행된 배아 다능성 전구세포(EPPC) 사이의 관계는 매우 모호합니다. 본 연구 결과에 따르면, 쥐의 다양한 이식 가능한 종양에 EPPC를 도입하면 종양 조직의 붕괴(G), 종양 질량의 급속한 증가(D), 또는 감소(E-3)를 초래할 수 있으며, 종양 조직의 자발성 중심 국소 괴사 크기에는 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다(I, K). EPPC와 종양 세포의 상호작용 결과는 생체 내에서 생성되는 총 사이토카인과 성장 인자에 의해 결정된다는 것은 명백합니다.

성체 조직과의 접촉에 반응하여 발암 반응을 보이는 배아줄기세포가 배아의 세포 덩어리에 완벽하게 동화되어 배아의 모든 장기에 통합된다는 점은 주목할 만합니다. 배아 자체 세포와 공여 배아줄기세포로 구성된 이러한 키메라를 알로펜 동물이라고 부르지만, 실제로는 표현형 키메라가 아닙니다. 배아줄기세포가 초기 배아에 도입되면 조혈계, 피부, 신경 조직, 간, 소장에서 세포 키메라화가 최대로 일어납니다. 생식기의 키메라화 사례도 보고되었습니다. 배아줄기세포가 침범할 수 없는 유일한 영역은 일차 생식 세포입니다.

즉, 배아는 부모의 유전 정보를 그대로 유지하며, 이를 통해 속과 종 모두의 순수성과 지속성을 보호합니다.

사이토클라진(cytoclazine)을 이용하여 초기 배아의 세포 분열을 차단하는 조건 하에서, 배아줄기세포를 배반포에 주입하면 다른 모든 배아와 마찬가지로, 일차 생식 세포가 기증자 배아줄기세포로부터 형성된 배아가 발달하게 됩니다. 그러나 이 경우, 배아 자체는 완전히 기증자이며, 대리모의 몸과는 유전적으로 이질적입니다. 이처럼 자신의 유전 정보와 외부 유전 정보가 혼합될 가능성을 자연적으로 차단하는 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았습니다. 이 경우, 아직 우리에게 알려지지 않은 세포자멸사 프로그램이 실현되었다고 추정할 수 있습니다.

서로 다른 종 동물의 배아 발생은 결코 조화롭게 이루어지지 않는다는 점에 유의해야 합니다. 이종 배아줄기세포를 수혜 배아에 주입하여 기관 형성 프로그램을 시행할 때, 배아는 자궁 내에서 사멸하고 재흡수됩니다. 따라서 "쥐-생쥐", "돼지-소", "인간-쥐"와 같은 키메라의 존재는 형태학적 모자이크 현상이 아닌 세포적 특징으로 이해해야 합니다. 다시 말해, 한 포유류 종의 배아줄기세포가 다른 종의 배반포에 도입되면 모계 종의 자손이 항상 발생하는데, 이 자손의 거의 모든 장기 세포 중에는 내포물이 발견되고, 때로는 유전적으로 이질적인 배아줄기세포 유도체로 구성된 구조적 및 기능적 단위의 집합체도 발견됩니다. "인간화 돼지"라는 용어는 인간의 지능이나 외적 특징을 지닌 괴물을 지칭하는 것으로 해석될 수 없습니다. 이는 단지 돼지의 배반포에 도입된 인간 배아줄기세포에서 유래한 체세포를 가진 동물일 뿐입니다.

줄기세포 활용의 전망

조혈 및 림프계 세포의 유전병리학적 특성과 관련된 질환이 동종 골수 이식 후 종종 완치되는 것으로 알려져 왔습니다. 자신의 조혈 조직을 유전적으로 정상적인 기증자의 세포로 대체하면 환자의 부분적, 때로는 완전한 회복을 얻을 수 있습니다. 동종 골수 이식을 통해 치료할 수 있는 유전 질환으로는 복합면역결핍증후군, X-연관 무감마글로불린혈증, 만성육아종증, 비스코트-올드리치 증후군, 고셔병 및 헐러병, 부신백질이영양증, 이염성백질이영양증, 겸상적혈구빈혈, 지중해빈혈, 판코니빈혈, 그리고 에이즈 등이 있습니다. 이러한 질병을 치료하기 위해 동종 골수 이식을 사용하는 데 있어 주요 문제는 HbA1c와 호환되는 관련 기증자를 선택하는 것과 관련이 있으며, 이를 성공적으로 찾기 위해서는 평균 10만 개의 유형화된 기증자 조혈 조직 샘플이 필요합니다.

유전자 치료는 환자의 조혈줄기세포에서 유전적 결함을 직접 교정할 수 있도록 합니다. 이론적으로 유전자 치료는 조혈계 유전 질환 치료에 있어 동종이식 골수 이식과 동일한 이점을 제공하지만, 모든 면역학적 합병증은 발생하지 않습니다. 그러나 유전자 치료를 위해서는 완전한 유전자를 조혈줄기세포로 효과적으로 전달하고 필요한 발현 수준을 유지하는 기술이 필요하며, 특정 유전적 병리에서는 이 수준이 그다지 높지 않을 수 있습니다. 이 경우, 결핍된 유전자의 단백질 생성물을 약간만 보충해도 긍정적인 임상적 효과를 얻을 수 있습니다. 특히 B형 혈우병의 경우, 정상 인자 IX 수준의 10~20%만으로도 혈액 응고 기전을 회복하기에 충분합니다. 자가 세포 물질의 유전자 변형은 실험적 편측파킨슨병(도파민 신경세포의 일측 파괴)에서 성공적인 것으로 입증되었습니다. 티로신 하이드록실화효소 유전자를 함유한 레트로바이러스 벡터를 이용하여 쥐 배아 섬유아세포를 형질 전환시킨 결과, 중추 신경계에서 도파민 합성이 보장되었습니다. 형질 전환된 섬유아세포를 뇌내 투여한 결과, 실험 동물에서 파킨슨병 실험 모델의 임상 증상 강도가 급격히 감소했습니다.

인간 질병의 유전자 치료에 줄기세포를 활용할 가능성은 임상의와 실험자들에게 많은 새로운 과제를 안겨주었습니다. 유전자 치료의 문제점은 표적 세포로 유전자를 안전하고 효과적으로 전달하는 시스템의 개발과 관련이 있습니다. 현재 포유류의 큰 세포로 유전자를 전달하는 효율은 매우 낮습니다(1%). 이 문제는 체계적으로 다양한 방법으로 해결되고 있습니다. 시험관 내 유전자 전달은 유전 물질을 배양 중인 환자의 세포에 형질주입한 후 환자의 체내로 다시 되돌리는 것을 포함합니다. 조혈 세포를 체내에서 배양액으로, 그리고 다시 배양액으로 옮기는 방법이 이미 확립되어 있기 때문에 골수 줄기세포에 도입된 유전자를 사용할 때 이러한 접근법이 최적인 것으로 인식되어야 합니다. 시험관 내 조혈 세포로의 유전자 전달에는 레트로바이러스가 가장 많이 사용됩니다. 그러나 대부분의 조혈 줄기세포는 휴면 상태에 있기 때문에 레트로바이러스를 이용한 유전 정보 전달이 복잡해지고, 휴면 줄기세포로의 효과적인 유전자 전달을 위한 새로운 방법을 모색해야 합니다. 현재 유전자 전달 방법으로는 형질감염, 세포 내 직접 DNA 미세주입, 리포펙션, 전기천공, "유전자총", 유리 비드를 이용한 기계적 결합, 수용체 의존성 DNA를 아시알로당단백질과 결합시킨 간세포 형질감염, 그리고 폐포 상피 세포 내로의 에어로졸 도입 등이 있습니다. 이러한 방법을 이용한 DNA 전달의 효율은 10.0~0.01%입니다. 즉, 유전 정보 도입 방법에 따라 100명 중 10명, 또는 10,000명 중 1명 정도의 성공률을 기대할 수 있습니다. 효과적이고 안전한 치료 유전자 전달 방법은 아직 개발되지 않았습니다.

세포 이식에서 이종이식 세포 물질 거부 반응 문제에 대한 근본적으로 다른 해결책은 고용량의 배아 다능성 전구 세포를 사용하여 성체 유기체의 항원 항상성 조절 시스템을 재구축하는 효과(쿠하르추크-라드첸코-시르만 효과)를 얻는 것입니다. 이 효과의 핵심은 항원 항상성 조절 시스템을 재프로그래밍하는 동시에 면역 능력이 있는 세포의 새로운 기반을 형성하여 면역 관용을 유도하는 것입니다. 고용량의 EPPC를 투여하면, 후자는 흉선과 골수 조직에 고정됩니다. 흉선에서 EPPC는 특정 미세환경의 영향을 받아 수지상 세포, 교착 세포, 상피-기질 세포로 분화합니다. 수용자 흉선에서 EPPC가 분화되는 동안 수용자 자신의 주요 조직 적합성 복합체(MHC) 분자와 함께 공여 세포에서 유전적으로 결정된 MHC 분자가 발현됩니다. 즉, MHC 분자의 이중 기준이 확립되고, 이에 따라 T 림프구의 양성 및 음성 선택이 실현됩니다.

따라서 수용자 면역 체계의 효과기 연결의 갱신은 T 림프구의 긍정적 및 부정적 선택의 알려진 메커니즘을 통해 발생하지만, MHC 분자의 이중 기준, 즉 수용자와 공여체 EPPC를 통해 발생합니다.

EPPC를 이용한 면역 체계 재프로그래밍은 면역억제제의 장기 사용 없이 세포 이식을 가능하게 할 뿐만 아니라, 자가면역 질환 치료에 완전히 새로운 가능성을 열어주고 인간 노화 과정에 대한 새로운 아이디어를 개발할 수 있는 발판을 제공합니다. 노화 메커니즘을 이해하기 위해, 본 연구에서는 신체 줄기세포 공간(stem space)의 고갈 이론을 제시했습니다. 이 이론의 핵심은 노화는 신체 줄기세포 공간의 크기가 영구적으로 감소하는 것으로, 줄기세포 공간은 국소("성인") 줄기세포(중간엽 줄기세포, 신경 줄기세포, 조혈 줄기세포, 피부 전구세포, 소화관 줄기세포, 내분비 상피세포, 섬모주름 색소세포 등)의 집합체로 이해되며, 신체 리모델링 과정에서 해당 조직의 세포 손실을 보충합니다. 신체 리모델링은 줄기세포를 통해 모든 조직과 기관의 세포 구성이 재생되는 과정으로, 다세포 생물의 생애 동안 지속됩니다. 줄기 공간의 세포 수는 유전적으로 결정되며, 이는 각 줄기 공간의 제한된 크기(증식 잠재력)를 결정합니다. 다시 말해, 줄기 공간의 크기는 개별 기관, 조직 및 신체 시스템의 노화 속도를 결정합니다. 줄기 공간의 세포 저장량이 고갈된 후, 다세포 생물의 노화 강도와 속도는 헤이플릭 한계 내에서 체세포 분화 세포의 노화 메커니즘에 의해 결정됩니다.

따라서 출생 후 개체발생 단계에서 줄기세포 공간의 확장은 수명을 크게 증가시킬 뿐만 아니라 신체의 리모델링 잠재력을 회복시켜 삶의 질을 향상시킬 수 있습니다. 줄기세포 공간의 확장은 동종이계 배아 만능 전구세포를 대량으로 투여함으로써 달성할 수 있으며, 동시에 수혜자의 면역 체계가 재프로그램되면 실험에서 노령 마우스의 수명이 크게 증가합니다.

줄기세포 고갈 이론은 노화 기전뿐만 아니라 질병 자체와 약물 치료의 결과에 대한 기존의 생각을 바꿀 수 있습니다. 특히 이 질병은 줄기세포의 병리(종양병리학)로 인해 발생할 수 있습니다. 중간엽 줄기세포의 고갈은 결합 조직 리모델링 과정을 방해하여 주름, 피부 처짐, 셀룰라이트와 같은 외부 노화 징후를 유발합니다. 내피세포의 줄기세포 고갈은 동맥 고혈압과 죽상동맥경화증을 유발합니다. 흉선 줄기세포의 초기 크기는 초기 영구적인 연령 관련 퇴행을 결정합니다. 조기 노화는 신체의 모든 줄기세포의 크기가 초기에 병적으로 감소한 결과입니다. 줄기세포의 약물 및 비약물적 자극은 줄기세포의 크기를 줄임으로써 유지 기간을 단축시켜 삶의 질을 향상시킵니다. 현대의 노화방지제의 효율성이 낮은 이유는 노화된 분화된 체세포에 대한 보호 효과 때문이지, 신체의 줄기세포에 대한 보호 효과가 아니기 때문입니다.

결론적으로, 재생가소성 의학은 줄기세포의 재생가소성 잠재력을 활용한 인간 질병 치료의 새로운 방향임을 다시 한번 강조하고자 합니다. 여기서 가소성이란 외인성 또는 내인성 줄기세포가 이식되어 질병에 걸린 유기체의 손상된 조직 부위에 새로운 특수 세포 싹을 틔우는 능력을 의미합니다. 재생가소성 의학의 대상은 현재 치료가 불가능한 치명적인 인간 질병, 유전적 병리, 전통 의학으로는 증상적 효과만 얻을 수 있는 질병, 그리고 재건가소성 재생수술의 목표인 신체의 해부학적 결함입니다. 줄기세포를 이용하여 온전하고 기능적으로 완전한 장기를 재생하려는 최초의 시도를 별도의 실용 의학 분야로 간주하기에는 시기상조라고 생각합니다. 재생가소성 의학의 대상은 줄기세포이며, 줄기세포는 그 출처에 따라 재생가소성 잠재력이 다릅니다. 재생 성형의학의 방법론은 줄기세포나 그 유래물의 이식을 기반으로 합니다.