혈관 석회화의 원인과 치료 가능성이 국내 연구팀에 의해 최초로 밝혀졌다. 혈관 석회화는 혈관에 칼슘이 쌓여 혈관이 딱딱하게 굳어지는 현상으로 동맥경화, 당뇨, 만성신부전 환자에게서 흔히 발견된다. 심장으로 혈류를 공급하는 관상동맥이 좁아지거나 막힌 협심증 환자들은 혈관 석회화로 인해 심장 스텐트 시술이나 관상동맥우회수술을 받는 데 큰 어려움이 있었는데, 이번 연구를 통해 그 원인과 치료 가능성이 처음으로 밝혀졌다.

서울대학교병원 순환기내과 김효수 교수의 주도로 조현주 박사(제1저자), 조현재 교수(제1저자)가 수행한 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 바이오·의료기술개발사업의 지원으로 이루어졌으며, 생물학분야의 세계적 학술지인 PLOS Biology 2013년 4월 9일자 온라인판에 주요논문 해설과 함께 게재되었다.
   (논문명: Vascular Calcifying Progenitor Cells Possess Bidirectional Differentiation   Potentials)

김 교수 연구팀은 혈관 석회화 전구세포가 혈관 석회화의 원인이며, 전구세포 내 PPARγ(peroxisome proliferator activated receptor γ)라는 단백질을 활성화하면 혈관 석회화를 치료할 수 있음을 입증하였다. 

골수에서 만들어지는 혈관 석회화 전구세포는 혈관 내 칼슘이 쌓이는 것을 촉진하는 ‘조골세포’*나  억제하는 ‘파골세포’*로 분화되기 전 단계의 세포이다. 혈관 석회화는 조골세포와 파골세포의 균형으로 조절된다.
    * 조골세포: 뼈의 형성 표면에 배열되어 뼈를 만드는 세포. 세포 밖으로 골질(骨質)을 분비하고 스스로는 골질에 싸여 골세포로 변함
    * 파골세포: 뼈를 녹이는 세포. 석회화한 연골과 골조직을 녹임

연구팀은 실험용 생쥐의 동맥에서 혈관 석회화 전구세포를 분리한 후 줄기세포 표지자인 Sca-1(stem cell antigen-1)*와 항체 PDGFRα(platelet-derived growth factor receptor alpha)*의 유무(有無)에 따라 4가지 종류로 나누었다.
    * Sca-1: 줄기세포를 규정하는 대표적인 표지자. 특히 동물실험에서 널리 사용됨
    * PDGFRa: 중간엽 줄기세포의 분화에 관여하며, 혈관평활근(vascular smooth       muscle) 세포의 표지자

그 후 4가지 종류의 혈관 석회화 전구세포를 특정 실험환경에서 배양 한 후 혈관 내 칼슘을 분해하는 파골세포로 얼마나 많이 분화되는지를 관찰하였다. 그 결과 Sca-1 표지자만 발현하는 전구세포(Sca-1+/PDGFRα-)만이 파골세포로 분화되었다.  

혈관 내 칼슘 분해 가능성을 확인한 연구팀은 전구세포(Sca-1+/PDGFRα-)에 현재 임상적으로 허가되어 있는 약제를 이용하여 PPARγ를 활성화하였다. 그 결과 전구세포(Sca-1+/PDGFRα-)가 칼슘을 분해하는 파골세포로의 분화가 250%이상 촉진되었다. 

또한 연구팀은 실험용 쥐를 대상으로  전구세포(Sca-1+/PDGFRα-)를 주입한 그룹(실험군 1)과 같은 세포를 주입하고 약제를 이용하여 PPARγ를 활성화 한 그룹(실험군 2)으로 나눈 후 CT 촬영을 하여 혈관 내 석회화의 크기를 비교하였다.  

그 결과 실험군 2가 1에 비해 칼슘 침착에 의한 석회화 크기가 2배 이상 작아졌다. 실험군 1에서는 혈관 석회화 전구세포가 조골세포와 파골세포로 분화되었고, 조골세포에 의해 혈관에 쌓인 칼슘이 증가한 반면, 실험군 2에서는 혈관 석회화 전구세포가 PPARγ의 활성화로 인해 대부분 파골세포로 분화되어 혈관에 쌓인 칼슘이 분해됐기 때문이다.  

이러한 결과는 골수로부터 유래된 특정 전구세포가 혈관 석회화를 조절하는 치료제로 적용될 수 있으며, 약제를 이용하여 PPARγ를 활성화하면 동맥경화로 인해 딱딱해진 혈관을 부드럽게 할 수 있음을 시사한다. 

김효수 교수는 “Sca-1표지자만 발현된 혈관 석회화 전구세포는 조골세포와 파골세포 양 방향으로 분화가 가능하며, 특정 약물에 의해 조골세포 대신 파골세포로의 분화가 촉진됨을 증명하였다.”라며 “이것은 혈관 석회화로 인해 딱딱해진 혈관을 부드럽게 하는데 기여할 것으로 생각된다.”라고 연구의의를 밝혔다.

연 구 결 과 개 요

1. 연구 배경

  혈관 석회화는 동맥경화, 당뇨 신부전 등에 흔히 동반되는 질환이며 심질환 관련 주요 표지자로 생각된다. 과거에는 혈관 석회화는 말기 동맥경화반의 괴사성 부분에 칼슘이 침착 되거나, 노화에 의한 발생하는 수동적인 과정이라고 보았으나, 최근에는 혈관 내에 이러한 칼슘 침착이 능동적으로 조절되는 과정으로 여겨지고 있다. 혈관 석회화는 혈관 내 칼슘이 쌓이는 것을 촉진하는 조골세포와 억제하는 파골세포의 균형으로 조절된다. 따라서 이러한 석회화를 조절하고자 하는 여러 가지 시도가 진행되고 있다. 하지만, 혈관석회화를 유발하는 세포의 기원이나 특징 또는 탈석회화를 유도하는 기전에 대한 연구는 여전히 미비하다. 따라서 본 연구자들은 이러한 혈관 석회화를 조절할 수 있는 혈관 석회화 전구세포의 기원과 특징을 규명하고, 석회화 환경에서 그 역할을 밝혀보고자 하였다.

2. 연구 내용

  석회화를 조절하는 혈관 석회화 전구세포는 생쥐의 대동맥에서 분리하였다. 줄기세포 표지자인 stem cell antigen-1 (Sca-1)와 항체 platelet-derived growth factor receptor alpha(PDGFRα)의 유무(有無)에 따라 Sca-1+/PDGFRα+, Sca-1+/PDGFRα-, Sca-1-/PDGFRα+, Sca-1-/PDGFRα-의 4개의 그룹으로 나누었다. 분리된 세포들 중 Sca-1 양성세포들(Sca-1+/PDGFRα+ 또는 Sca-1+/PDGFRα-cell)은 조골세포로의 분화가 증가하였다. 다음으로 탈석회화 조건으로 분화유도 하였을 때, Sca-1+/PDGFRα-세포만 파골세포로 분화하였다. 이러한 혈관 석회화 전구세포는 골수에서 유래되었으며, 중간엽 줄기세포의 특징을 보였다. 이러한 결과를 종합해 볼 때, 골수 유래 Sca-1+/PDGFRα-세포는 조골세포 또는 파골세포 양 방향으로 분화할 수 있는 분화능을 가지고 있다. 다음으로 혈관 석회화를 조절 할 수 있는 factor를 찾기 위해 PPARγ 작용제를 처리하였을 때 Sca-1+/PDGFRα-세포에서 파골세포로의 분화가 증가되었다. 혈관 석회화 전구세포와 PPAR-γ 활성화가 동물실험 모델에서 실제로 재현성을 가지는지 알아보기 위해 이소성 석회화 실험 모델 (in vivo ectopic mineralization assay)를 시행하였다. X-ray와 CT 촬영을 통한 조직 정량화에서 Sca-1+/PDGFRα-세포는 높은 bone formation mass와 calcium score를 보였으며, 이러한 효과는 PPARγ를 활성화 하였을 때 감소하였다.
Apoe-/-mouse를 이용한 동맥경화 내 혈관 석회화 유발 모델에서도, Sca-1+/PDGFRα-세포를 주입한 그룹에서 동맥경화 반에 석회화 유발이 강하게 일어났으며, 이러한 효과는 PPARγ를 활성화 하였을 때 감소하였다.

3. 기대 효과

  이러한 결과는 골수로부터 유래된 특정 전구세포들이 동맥경화 등에서 나타난 혈관석회화를 조절할 수 있음을 밝힌 최초의 연구이다. 이는 골수로부터 유래된 특정 전구세포가 혈관 석회화를 조절하는 치료의 목표세포로 적용될 수 있으며, 현재 임상적으로 사용가능한 당뇨병 약제를 이용하여 PPARγ를 활성화하면 동맥경화로 인해 딱딱해진 혈관을 부드럽게 할 수 있음을 시사한다.

그림1. 이소성 석회화 실험 모델
Sca-1 표지자만 발현된 전구세포를 주입한 그룹(실험군 1, 붉은색)과 Sca-1 표지자만 발현된 전구세포 + PPARγ를 주입한 그룹(실험군 2, 녹색)으로 나눈 후 CT 촬영을 하여 혈관 내 석회화의 크기를 비교한 사진. 실험군 2가 1에 비해 칼슘 침착에 의한 석회화 크기가 2배 이상 작아졌다.

그림2. 동맥경화 내 혈관 석회화 유발 실험 모델
동맥경화가 있는 실험용 생쥐를 대상으로 아무 조치도 취하지 않는 군(대조군), Sca-1 표지자만 발현된 전구세포를 주입한 그룹(실험군 1, 붉은색), Sca-1 표지자만 발현된 전구세포 + PPARγ를 주입한 그룹(실험군 2, 녹색)으로 나눈 후 동맥 내 칼슘침착의 정도를 비교한 사진. 칼슘침착이 강할수록 까맣게 염색된다. 실험군 1이 대조군 및 실험군 2에 비해 검게 염색된 부분이 유의미하게 많음을 알 수 있다.