줄기세포에서 분화된 도파민 신경세포의 순수분리로 안전성과 유효성이 극대화된 파킨슨병 세포치료제를 개발할 수 있는 길이 열렸다.
연세대 의대 생리학교실 김동욱 교수, 유정은 박사(제1저자)와 차의과대 황동연 교수 공동연구팀은 줄기세포로부터 도파민 신경세포 분화 후 도파민 세포를 순수분리할 수 있는 세포표면마커 유전자를 개발했다고 26일 밝혔다.
파킨슨병은 중뇌(中腦, midbrain)에서 ‘도파민’이라는 신경전달물질을 분비하는 신경세포가 소실되어 나타나는 질환이다. 현재까지의 치료법은 근본적 치료가 아닌 증상 완화를 목표로 한다. 최근에는 파킨슨병을 근본적으로 치료하기 위한 한 방법으로 줄기세포로부터 도파민 세포를 만들어 뇌 속에 넣어주는 세포대체치료(cell replacement therapy)에 대한 연구가 진행되고 있다.
의학계에서는 그동안 인간 배아줄기세포(ES cells)나 역분화 줄기세포(iPS cells)로부터 분화과정을 거쳐 ‘중뇌 도파민 신경세포’를 만드는 연구를 진행해 왔다. 문제는 아무리 분화과정을 잘 거쳐도 100% 순수한 도파민 세포가 아닌, 다른 세포들도 섞여 있다는 것. 이 다른 세포들은 우리 몸에 이식할 경우 이상 운동 증세, 세포 과다 증식 등의 부작용을 발생시킬 가능성이 있다고 알려져 왔다. 따라서 의학계는 분화 후 순수한 도파민 세포만을 분리할 수 있는 도파민 세포 표면마커 유전자를 계속해서 찾아왔다.
연구팀은 배아줄기세포에서 도파민 세포를 분화시킬 때, 도파민 신경전구세포에서 LMX1A 유전자가 특징적으로 잘 발현하는 것을 이용했다. 연구팀은 유전자 가위 기술을 이용해 LMX1A 유전자에 eGFP라는 형광단백질 유전자를 붙여, LMX1A 유전자 발현 시 녹색의 형광단백질을 발현하게 했다. 이렇게 LMX1A 유전자가 발현 시 형광단백질이 같이 발현하게 만든 것이 ‘인간 배아줄기세포 리포터 세포주’이다.
이어 연구팀은 이 리포터 배아줄기세포주를 도파민 세포로 분화시켰다. 이 과정에서 형광단백질을 발현하는 세포(eGFP+ 세포)와 발현하지 않는 세포(eGFP- 세포)로 분리했다. 형광단백질을 발현하는 세포는 도파민 신경전구세포이고, 형광단백질을 발현하지 않는 세포는 도파민 신경전구세포가 아닌 원리이다. 분리된 두 세포 그룹을 마이크로어레이(microarray) 방법으로 비교 분석해, eGFP+ 세포에서 2배 이상 더 많이 발현되는 유전자 369개를 찾았다. 이 중 세포표면마커 유전자 53개를 확인했다. 이후 여러 검증과정을 거쳐 중뇌 도파민 신경전구세포 특이적 세포표면마커 유전자인 ‘TPBG(trophoblast glycoprotein)’를 최종 발견했다.
이후 연구팀은 새로 발견한 마커 유전자 TPBG의 효능을 검증했다. TPBG를 이용해 순수분리한 세포(TPBG+ 세포)를 파킨슨병 동물모델의 뇌에 이식했다. 16주 후 해당 동물의 뇌조직을 분석해 세포를 이식한 이식편(graft, 이식부위) 내에 중뇌 도파민 신경세포(왼쪽 그림 속 TH+ 세포)의 밀집도를 분석했다. 도파민 신경세포 수가 TPBG를 이용해 순수분리해 이식할 경우 순수분리 전 세포 이식보다 약 2.5배 증가하는 것을 확인했다. 또한 ‘암페타민 유도 회전운동 실험’을 진행한 결과, 대조군에 비해 분당 회전수가 감소해 파킨슨 증상이 개선된 것을 확인했다[그림 1].
더불어, 기존에 부작용이었던 세포 과다 증식 등의 문제도 감소한 것을 확인했다. TPBG를 이용해 순수분리한 세포(TPBG+ 세포)를 이식한 이식편(이식부위)에서는 분리 전의 세포 이식과 비교해 과다 세포 증식이나 종양의 원인이 되는 세포(Ki67+ 세포)가 현저히 줄어들고(약 31.9% 감소), 증식 세포의 감소로 이식편(이식부위)의 부피도 감소 (약 35% 감소)한 것이 확인됐다[그림 2].
김동욱 교수는 “이러한 결과는 TPBG를 이용한 순수분리에 의해 중뇌 도파민 세포 분화과정 중 혼재할 가능성이 있는 다른 계열 세포의 제거가 가능함을 의미한다”라며 “순수 분리한 도파민 세포를 이용한 파킨슨병 세포치료 시 유효성 증대는 물론이고, 부작용 제어 및 안전성 증대를 가져올 수 있음을 시사한다”라고 연구의의를 밝혔다.
또 김 교수는 “이번에 인간 배아줄기세포나 역분화줄기세포로부터 중뇌 도파민 세포의 대량 생산이 가능하다는 방법도 제시했다. 이는 선진국들의 프로토콜과 차별화를 이룬 점에서 의미가 있다. 이 방법을 활용하면 파킨슨병 세포치료제의 대량 생산 및 산업화가 용이할 것으로 기대된다.”고 말했다.
한편, 김동욱 교수 연구팀은 이러한 연구를 바탕으로 ㈜에스바이오메딕스와 파킨슨병 세포치료제 상용화를 위해 공동연구를 진행하고 있으며, 금년 임상시험승인신청서를 제출하고 임상시험 진입을 계획하고 있다.
<논문>
Yoo JE, Lee DR, Park S, Shin HR, Lee KG, Kim DS, Jo MY, Eom JH, Cho MS, Hwang DY, Kim DW. Trophoblast glycoprotein is a marker for efficient sorting of ventral mesencephalic dopaminergic precursors derived from human pluripotent stem cells. NPJ Parkinsons Dis. 2021 Jul 19;7(1):61. doi: 10.1038/s41531-021-00204-8.
