기초에서 임상까지: 현대 생물의학에서의 iPS 세포

1. 파킨슨병의 병리 기전에 대한 연구

파킨슨병 연구를 위한 PARK2-KO-iPSC 모델 구축

파킨슨병(PD)은 중뇌 도파민성 신경세포가 중뇌 검은질 compacta(SNc)에서 점진적으로 손실되는 치료 불가능한 신경퇴행성 질환으로, 이로 인해 피질핵 도파민이 감소하게 된다. 산발성 및 유전성 파킨슨병의 기전은 주로 미토콘드리아 기능 이상과 산화 스트레스에 기인한다. 미토콘드리아 기능에 중요한 영향을 미치는 PARK2 유전자의 돌연변이는 자손 우성 유전성 파킨슨병을 유발할 수 있다.

파킨슨병의 병리 기전 연구에는 파킨슨병 유전자 녹아웃 동물 모델이 사용되었으나, 이는 경미한 질병 표현형만을 보였다. 유전체 편집을 통해 PARK2 유전자 변이를 도입한 유전성 파킨슨병 환자로부터 유래한 유도 만능 줄기세포(iPSCs)는 인간 도파민성 신경세포에서의 기능 장애를 체외에서 연구하는 데 활용될 수 있다. PARK2 유전자 변이를 가진 파킨슨병 환자 iPSC 유래 신경세포는 산화 스트레스 증가, α-시누클레인 축적, 비정상적인 미토콘드리아 형태 및 기능 이상을 보였다.

저자들은 WT-iPSCs 기반으로 PARK2 유전자를 녹아웃하여 PARK2-KO-iPSCs를 생성하였으며, 이후 WT-iPSCs와 PARK2-KO-iPSCs를 모두 도파민성 신경세포로 분화시켰다. 두 iPSCs 내 단백질 변화의 경로 분석 결과, PARK2 KO 신경세포는 세포주기, 산화 스트레스, 에너지 대사 조절이 방해받았음을 확인하였다. 또한 다양한 실험을 통해 PARK2-KO 신경세포는 비정상적인 미토콘드리아와 형태, 부족한 당해소화 및 젖산 대사, 그리고 감소된 세포 증식 및 생존율을 보였다.^[1]

2. 심근경색에 대한 줄기세포 치료

심근경색에 대한 줄기세포 치료: CCND2의 과발현은 hiPSC에서 유래한 심근세포의 증식 능력을 향상시킨다.

최근 수십 년간 말기 혈류성 심부전(CHF) 치료에 있어 큰 진전이 있었으나, 심근세포의 재생 능력 한계로 인해 성공은 여전히 제한적이다. 진행성 심부전의 분자적 및 세포적 기초는 손상되거나 사멸된 심근세포가 대체되지 못하는 것이다. 심근 재생을 촉진하는 전략으로는, 심장 섬유아세포를 심근세포 유사세포로 재프로그래밍하는 것, 신체 내 줄기세포에서 유래한 줄기/전구세포를 이식하는 것, 내재된 줄기세포를 유도하거나 내재된 심근세포의 세포주기 활성화 및 증식을 촉진하는 치료법이 있다.

저자들은 이전에 CCND2의 과발현이 hiPSC에서 유래한 심근세포의 증식 능력을 향상시킬 수 있음을 입증하였다. 이후 인간 유도 만능 줄기세포(hiPSCs)를 WT-CCND2 또는 OE-CCND2를 가진 심근세포(CCND2WT-CMs 또는 CCND2OE-CMs)로 분화시킨 후, 이들을 심근경색된 돼지 심장에 이식하였다. 심근 기능 평가, 심근세포 증식, 병변 부위의 혈관생성, 심근세포 산소 내성 등을 평가한 결과, WT-CCND2 심근세포에 비해 CCND2 과발현(OE) 심근세포는 더 강한 증식 능력과 심장 복구 능력을 보였으며, 심근경색 부위 크기가 감소하고 심장 기능이 개선되어 우수한 치료 효과를 보였다.^[2]

3. 이식용 줄기세포 면역치료

이식용 줄기세포 면역치료: iPSCs는 체외에서 무한히 배양 가능하며, 높은 유도 효율로 림프계 계열로 성숙할 수 있다.

적응성 세포 치료는 면역세포를 분리한 후 체외(ex vivo)에서 조작한 후 환자에게 투여하여 치료하는 방식을 의미한다. 관심 있는 분야는 혈액계 및 종양성 질환 치료를 위한 세포 또는 면역치료 접근법 탐색, 특히 치머릭 항원 수용체(CARs)를 활용하는 것이다. 보편적(allogeneic) 세포 면역치료 접근법에는 CAR-T, TCR-T, NK 세포가 포함되며, 이는 전체 환자 집단에 적용할 수 있다. 이러한 치료법은 광범위한 응용 가능性和 치료 효과를 지니고 있으나, 일부 도전 과제에 직면해 있다. 그러나 iPSCs와 유전자 편집 기술의 조합은 이러한 어려움을 해결할 수 있다.

CAR-T 치료의 원리는 종양세포 표면 항원과 일치하는 CAR 분자를 T세포 표면에 발현시켜 종양세포를 특이적으로 사멸시키는 것이다. 일반적으로 환자의 T세포를 사용하여 편집 및 변형하지만, 환자 T세포의 증식 및 기능 제한, T세포 편집의 어려움, CAR-T세포 제조에 소요되는 시간으로 인해 치료가 지연되는 문제가 있다. NK 치료의 원리는 CAR-T 치료와 유사하며, 자가 또는 이식용 면역 효과세포를 분리하여 체외에서 활성화한 후 환자에게 정맥 주사하여 종양을 직접 사멸하거나 환자의 항종양 면역 반응을 자극한다. 그러나 NK 세포는 증식 능력이 제한적이며 유전자 변형이 어렵다.

iPSCs와 우리의 유전자 편집 기술의 조합은 이러한 문제를 해결할 수 있다. iPSCs는 체외에서 쉽게 유전자 변형이 가능하며, 면역과 관련된 인간 백혈구 항원(HLA) 및 T세포 수용체(TCR) 유전자를 편집함으로써 보편적 CAR-T세포 개발이 가능해져 면역원성 감소, 적용 가능성, 효율성 및 지속성 향상이 가능하다. iPSCs는 체외에서 무한히 배양 가능하며, 림프계 유사세포로 성숙할 수 있어 1차 세포 수의 제한 및 확장의 어려움을 해결한다. iPSCs에서 NK 세포로의 유도 성공률은 높으며, 기능적 표현형도 성숙하다.^[3]

4. 알츠하이머병 치료제 스크리닝

알츠하이머병 치료제 스크리닝: Aβ42 과발현-iPSCs 모델 구축을 통해 Aβ42 억제제를 스크리닝할 수 있다.

알츠하이머병(AD)은 주로 노년기에 나타나는 진행성 인지 및 행동 장애를 특징으로 하는 중추신경계 퇴행성 질환이다. 현재까지는 뇌 내 베타-아밀로이드 단백질(Aβ42)의 과도한 축적이 질병의 원인으로 여겨지고 있다. Aβ42 억제제를 스크리닝하기 위해 Aβ42 과발현-iPSCs(인공 만능 줄기세포에서 Aβ42 과발현)를 구축하고, 이를 신경세포로 분화시킨 후 고속 스크리닝을 수행하여 Aβ42 억제제를 효과적으로 식별할 수 있다.

참고문헌

[1] Bogetofte H, Jensen P, Ryding M, et al. PARK2 Mutation Causes Metabolic Disturbances and Impaired Survival of Human iPSC-Derived Neurons. Front Cell Neurosci. 2019;13:297. Published 2019 Jul 5. doi:10.3389/fncel.2019.00297

[2] Zhao M, Nakada Y, Wei Y, et al. Cyclin D2 Overexpression Enhances the Efficacy of Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocytes for Myocardial Repair in a Swine Model of Myocardial Infarction. Circulation. 2021;144(3):210-228. doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.120.049497

[3] Nianias A, Themeli M. Induced Pluripotent Stem Cell (iPSC)-Derived Lymphocytes for Adoptive Cell Immunotherapy: Recent Advances and Challenges. Curr Hematol Malig Rep. 2019;14(4):261-268. doi:10.1007/s11899-019-00528-6