인간 배아 줄기세포에서 망막이 성장했습니다.

Cell Stem Cell 저널에 게재된 논문에 따르면, 인간 줄기세포는 자연적으로 조직을 형성하여 시력을 담당하는 눈의 조직인 망막으로 발달합니다. 앞으로 이 3D 조직을 이식하면 시력 문제를 겪는 환자들에게 도움이 될 수 있습니다.

"이것은 재생 의학의 다음 단계에서 중요한 이정표입니다."라고 이 연구를 주도한 일본 이화학연구소(RIKEN) 발생생물학 센터 기관형성 및 신경형성 그룹 소장인 요시키 사사이(Yoshiki Sasai, MD, PhD) 교수는 말했습니다. "이번 연구는 인간 줄기세포에서 유래한 복잡한 조직을 치료뿐만 아니라 병인 및 약물 개발과 관련된 의학 연구에 활용하는 데 새로운 관점을 제시합니다."

발달 과정에서 눈 안쪽을 감싸는 빛에 민감한 조직인 망막은 시신경배(optic cup)라는 구조로 형성됩니다. 일본 연구진의 새로운 연구에서 이 구조는 인간 배아줄기세포(hESC)에서 자연적으로 형성되었습니다. hESC는 인간 배아에서 유래한 세포로 다양한 조직으로 분화할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이는 사사이 교수와 그의 연구팀이 최적화한 세포 배양 기술을 통해 가능했습니다.

HESC 유래 세포는 두 겹의 시신경배(optic cup) 층으로 구성된 규칙적인 3차원 구조를 이루며, 그중 한 겹에는 광수용체라고 불리는 많은 수의 빛에 민감한 세포가 들어 있습니다. 망막 변성은 주로 광수용체 손상으로 인해 발생하므로, hESC 유래 조직은 이상적인 이식 재료가 될 수 있습니다.

일본 과학자들의 연구는 재생 의학 분야에서 줄기세포 활용의 가능성을 더욱 넓혀 줄 뿐만 아니라, 발생생물학과 같은 자연과학 분야의 발전을 확실히 가속화할 것입니다. 실험 과정에서 연구진은 인간 배아줄기세포로 형성된 시신경배가 생쥐 배아줄기세포로 배양한 시신경배보다 훨씬 두껍다는 것을 확신하게 되었습니다. 또한, 시신경배에는 간상세포와 원추세포가 모두 포함되어 있는데, 생쥐 배아줄기세포 배양에서는 원추세포로의 분화가 거의 관찰되지 않았습니다. 이는 배아세포가 이러한 눈 구조를 형성하는 종 특이적 지시를 담고 있음을 의미합니다.

사사이 교수는 "이 연구는 인간에게만 존재하는 눈의 발달적 특징을 이해하는 길을 열어주었으며, 이전에는 연구할 수 없었던 내용을 담고 있다"고 말했다.

사사이 교수 연구팀의 이번 연구는 이번이 처음이 아닙니다. 작년 말, 과학자들은 여러 종류의 호르몬 생성 세포로 구성된 생쥐 배아줄기세포로부터 기능성 뇌하수체 전엽(선하수체)을 배양했습니다. 이 연구 결과에 대한 논문 "3차원 배양에서 기능성 선하수체의 자가형성(Self-formation of functional adenohypophysis in three-dimensional culture)"이 네이처(Nature)지에 게재되었습니다.

뇌하수체는 뇌 기저부에 위치한 작은 내분비샘으로, 여러 중요한 호르몬을 생성합니다. 특히 초기 발달 과정에서 중요한 역할을 하며, 실험실에서 뇌하수체 형성 과정을 모방할 수 있다면 과학자들이 배아 발생 과정을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 뇌하수체 이상은 거인증과 같은 성장 장애 및 실명을 포함한 시력 문제와 관련이 있는 것으로 알려져 있습니다.

이 실험은 3D 세포 배양이 없었다면 불가능했을 것입니다. 뇌하수체는 별도의 기관이지만, 뇌하수체 발달에는 바로 위 뇌 영역인 시상하부의 화학 신호가 필요합니다. 3D 배양을 통해 과학자들은 두 종류의 조직을 동시에 나란히 배양하여 2주 후 뇌하수체로 자가 조직화되는 줄기세포를 만들어냈습니다.

형광 염색 결과, 배양된 뇌하수체 조직은 적절한 바이오마커를 발현하고 뇌하수체 전엽에 전형적인 호르몬을 분비하는 것으로 나타났습니다. 연구진은 한 걸음 더 나아가, 합성된 뇌하수체를 뇌하수체가 없는 생쥐에 이식하여 기능을 시험했습니다. 실험은 성공적이었습니다. 생체공학적으로 제작된 뇌하수체는 생쥐의 혈액 내 글루코코르티코이드 호르몬 수치를 회복시키고 무기력증과 같은 행동 증상을 제거했습니다. 그러나 줄기세포로 만들어진 구조물을 이식한 생쥐는 필요한 신호 전달 인자에 노출되지 않아 제대로 기능하는 뇌하수체가 되지 못했기 때문에 상태가 호전되지 않았습니다.

사사이 교수와 그의 동료들은 인간 줄기세포에 대한 실험을 반복할 계획이며, 이 작업에는 최소한 3년이 걸릴 것으로 보고 있습니다.

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