목 차

1. 서론(들어가며)
2. 줄기세포(pluripotent stem cell)란 무엇인가?
  2.1. 배아줄기세포(embryonic stem cell)
    2.1.1. 줄기세포 배양액
    2.1.2. 줄기세포 계대배양(passage)을 위한 reagent
    2.1.3. 줄기세포 배양을 위한 matrix
    2.1.4. 줄기세포 cryopreservation media
  2.2. 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell)
3. 임상 시험을 위한 줄기세포의 품질관리(Quality Control)와 CMC(Chemistry, Manufactur-ing, and Controls) 4. 대표적인 iPSC 관련 기업들
5. 진행 중인 임상시험들
6. 결론(글을 마치며)
7. 참고문헌


1. 서론(들어가며)

21세기를 맞이한 현대의학은 유전자 치료와 세포 치료의 발전으로 말미암아 재생 의학(regenerative medicine)의 신기원을 이루게 된다. 넓은 의미의 재생의학은 선천적인 유전질환이나 후천적인 de novo 돌연변이에 의한 유전적 변형으로 생성된 유전질환의 치료 또는 불의의 사고나 퇴행성 질환으로 인해 기능성을 상실한 인체의 기관이나 세포를 완전한 기능을 가지고 있는 정상적인 세포 혹은 기관으로 치환하여 질병을 치료하는 것을 목표로 하고 있다. 이전에는 유전자 치료와 세포 치료를 구분 지었지만 점차 이러한 두 가지 치료 방법이 그 장벽을 허물며 하나의 치료법의 개념으로 발전되어오고 있다.

재생 의학, 특별히 세포치료의 발전에 이바지한 커다란 기념비적 사건들을 꼽아보자면 줄기세포(stem cell)의 발견과 역분화(reprogramming)를 이용한 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell)의 개발 그리고 CRISPR-Cas9을 이용한 유전자 편집기술의 발전이다.

1990년 시작되어 2003년 1차적으로 사업을 마쳤던 Human genome project로 말미암아 인간의 유전체에 대한 보다 정밀한 정보를 얻게 되었고 현재는 인간 전체 게놈(genome)의 정확한 모든 정보를 가질 수 있게 되었다. 또한 이를 바탕으로 한 유전자의 편집 기술도 본격적으로 개발되기 시작하였다. 1세대 편집 기술인 Zinc Finger Nuclease (ZFN)와 2세대 Transcription Activator-Like Effector Nucleases (TALEN)은 특정 유전자(DNA)에 맞추어 이를 인식할 수 있는 고유한 nuclease를 매번 새로 디자인해서 개발해야 했고 따라서 이를 바탕으로 한 치료제의 개발은 오랜 시간과 많은 비용을 필요로 하였다. 하지만 CRISPR을 이용한 Cas9은 유전자 편집을 위한 단백질은 공통적으로 사용하면서 유전자를 인식하는 guide RNA을 이용해 유전자의 편집이 이루어지기 때문에 이전 세대의 유전자 편집 기술과 비교할 수 없을 정도로 간편하게 질병 치료에 적용할 수 있게 되었다.

줄기세포(stem cell)란 용어의 등장과 이와 관련된 연구는 다윈의 종의 기원에서 유래된 진화론만큼이나 오래된 역사를 지니고 있다. 하지만 1996년 세상을 깜짝 놀라게 했던 복제양 돌리 [1]와 1998년 Dr. James Thompson에 의해 발표된 배아줄기세포(embryonic stem cell)의 배양 방법 [2]의 개발은 줄기세포 연구에 커다란 출발점이자 효시가 되었다. 이처럼 다양한 연구들의 물줄기가 많은 연구자들에 의해 reprogramming이라는 하나의 주류를 형성하게 되었고 2006년 마침내 Dr. Yamanaka에 의해 4가지의 전사인자(transcription factor)인 c-Myc, Klf4, Oct4, Sox2를 발현시켜 완전하게 분화된 체세포(somatic cell)인 mouse와 human의 상피세포(fibroblast cell)를 배아세포(embryonic stem cell)와 같은 성격의 줄기세포로 역분화 시킬 수 있다는 사실을 “Cell” [3, 4]에 처음으로 발표하면서 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell, iPS cell)가 세상에 등장하게 되었다. 이후 많은 연구자들에 의해 유도만능줄기세포를 생산하는 기술뿐만 아니라(Dr. Yamanaka에 의해 발견된 c-Myc, Klf4, Oct4, Sox2 뿐 아니라 Nanog [5], Lin28 [5], Glis1 [6] 등이 후에 발견되지만 Dr. Yamanaka의 4가지 유전자가 현재도 reprogramming에 가장 많이 사용되고 있다) 유도만능줄기세포를 이용한 특정 세포로의 분화기술이 함께 발전하면서 세포 치료법으로의 가용 범위가 급격하게 확대되었다. 그 결과 Cell에 논문을 발표하고 단지 6년이 지난 2012년에 Dr. Yamanaka는 그 공로를 인정받아 노벨 생리의학상을 수상하게 된다. 일반적으로 노벨상 수상자들이 관련 논문을 처음 발표하고 20-30여 년이 지난 후에야 그 업적을 인정받아 상을 수상하게 되는 이전의 관례에 비추어 보면 Dr. Yamanaka의 노벨상 수상은 얼마나 큰 영향력을 생명과학과 의료 분야에 미치게 되었는지 가늠해 볼 수 있다.

2. 줄기세포(Pluripotent stem cell)란 무엇인가?

줄기세포(pluripotent stem cell)는 발생 이후 분화를 마친 성체 세포와는 다른 뚜렷한 특성들을 지니고 있다. 대표적인 줄기세포의 특징은 크게 두 가지로 자가재생산(self-renewal) 능력과 다분화능(pluripotency)을 들을 수 있다. 첫째, 자가재생산(self-renewal)이란 줄기세포가 줄기세포 고유의 특성인 다분화능을 잃어버리지 않은 채 자신과 같은 특성을 지닌 세포로 끊임없이 무한 재생산이 가능한 것을 의미한다. 둘째, 다분화능(pluripotency)이란 줄기세포가 이러한 특성을 가지고 계속해서 세포분열을 통해 재생산하다가 특정한 환경이나 조건을 만나게 되면 내배엽(endoderm), 중배엽(mesoderm), 그리고 외배엽(ectoderm)과 같은 여러 다른 계통(lineage)의 세포로 분화가 이루어질 수 있음을 의미한다. 즉 분화능의 정도에 따라 줄기세포는 pluripotent stem cell (embryonic stem cell과 induced pluripotent stem cell과 같이 모든 세포로의 분화가 가능한 줄기세포), multipotent stem cell (hematopoietic stem cell과 같이 특정 계통으로의 분화가 이미 결정되어 특정 계통의 세포로만 분화가 가능하며 다른 lineage로의 분화는 불가능한 줄기세포), unipotent stem cell (muscle stem cell과 같이 이미 분화가 결정된 상태의 줄기세포로서 같은 lineage의 다른 세포로 분화도 되지 않고 오로지 특정 세포로의 분화만 가능한 줄기세포)로 구분할 수 있다. 여기서는 대표적인 pluripotent stem cell인 embryonic stem cell과 induced pluripotent stem cell에 대해 조금 더 알아보고자 한다.

2.1. 배아줄기세포(Embryonic stem cell)

배아줄기세포는 배반포(blastocyst)의 내부세포괴(inner cell mass)에서 유래해 세포분열과 분화를 통해 배아 단계의 발생을 거쳐 궁극적으로 하나의 생명체를 만들어 가는 생명의 기원과도 같은 존재이다. 다만 인간의 배아는 난자와 정자의 수정 후 4-5일 지나 배반포(blastocyst)의 단계에 이르러 생성이 되며, 이러한 배반포(blastocyst)가 자궁에 착상이 된 이후부터 본격적인 생명체로의 발생이 시작된다. 이러한 점에 비추어 보면 배아줄기세포는 초기 착상의 전 단계에서 얻어지는 세포로 아직 완벽한 생명체의 단계에 이르렀다고 보기는 어렵다. 하지만 이러한 배아줄기세포는 근본적으로 하나의 생명이 될 수 있는 큰 가능성을 지니고 있는 배아의 희생을 전제로 이루어지기 때문에 끊임없이 생명윤리적 문제점이 야기될 수밖에 없다.

체세포 핵이식(somatic cell nuclear transfer, SCNT)은 수정이 되지 않은 난자의 핵을 제거한 이후 환자의 체세포(somatic cell)에서 추출한 핵을 이식해 만들어지는 환자 맞춤형 줄기 세포의 효시이자 배아줄기세포의 생명윤리 문제를 해결할 수 있는 가장 좋은 대안이었다. 이러한 SCNT의 실험 방법은 비교적 오랜 역사를 지니고 있다. 앞서 언급했던 복제양 돌리 [1]가 바로 이러한 SCNT 방식으로 만들어졌고, 2004년 전 세계의 화려한 스포트라이트를 받았던 황우석 교수의 연구도 이러한 SCNT 방식을 이용해 만드는 줄기세포 연구였다. SCNT 방식은 환자의 세포에서 추출한 핵을 이용해 만들어지는 줄기세포이기 때문에 기본적으로 생성된 줄기세포는 환자의 유전정보(genetic information)를 고스란히 지니고 있다. 따라서 이식 후 환자의 면역 거부 반응이 일어나지 않는 환자 맞춤형 줄기세포의 신기원이자 세포 이식 후 발생하는 면역 거부 반응을 야기하는 배아줄기세포의 단점을 보완할 수 있는 매우 획기적인 방식의 연구였다. 문제는 핵치환 이후 인위적인 발생 유도를 위한 활성화 과정이 필요한데 여기서 비롯되는 다양한 스트레스가 정상적인 배아줄기세포로의 성공률을 극단적으로 낮추어 상용화가 불가능하다는 것이다. 또한 2004년에 “Science”에 발표했던 황우석의 연구는 연구윤리 위반과 조작으로 판명되어 한국 줄기세포 역사에 커다란 오점으로 장식되고 만다. 다만 10여 년의 세월이 지난 이후 Oregon 대학의 Mitalipov [7] 교수 그룹에 의해서 이러한 방식의 배아줄기세포의 생산이 전혀 불가능한 것은 아니었음이 입증되었다. 과학사에 만약이라는 가정이 있을 수 없지만 그래도 만약 황우석과 그의 연구팀이 보다 정직하게 차근차근 연구의 업적을 쌓아 갔다면 한국 줄기세포 연구의 위상은 지금보다 더 높아졌을 것이며, 많은 한국의 기업들과 연구진들이 전 세계의 재생의료 표준화에 이바지하며 시장을 주도해 나가지 않았을까 하는 아쉬움이 남는다.

앞서 언급한 대로 배아줄기세포는 줄기세포의 생성을 위해서 잠재적으로 태아의 희생이라는 윤리적 문제를 태생적으로 안고 개발되었기 때문에 종교와 윤리적 문제에서 오는 여러 가지 연구의 제약과 반대를 극복해야 하는 문제를 가지고 있을 수밖에 없다. Dr. James Thompson에 의해 만들어진 첫 번째 배아줄기세포 이후로 다양한 인간 배아줄기세포주가 많은 연구자들에 의해 만들어지고 있다. H1과 H9은 Dr. James Thompson에 의해 만들어진 대표적인 배아줄기세포이며 이를 이용한 여러 퇴행성질환 [8-10]의 세포치료 연구가 관련 연구 초창기에 많이 사용되었다.

1998년 Dr. James Thompson에 의해 배반포(blastocyst)의 내부세포괴(inner cell mass)에서 분리된 배아줄기세포를 in vitro상에서 배양하는 것이 가능하다고 밝혀졌고 [2], 이러한 배양 기술을 발전시켜 현재는 배아줄기세포를 이용해 세포치료제로 개발하기 위한 FDA의 기준을 충족시키는 다양한 배양액과 실험 기법들이 개발되었다. 초창기 배아줄기세포의 배양을 위해서는 mouse embryonic fibroblast (MEF)를 matrix로 이용하여 배아줄기세포의 지지체 역할을 해 주어야 했으며 serum 대체제인 knock-out serum replacement (KOSR)를 함유하고 있는 배양액을 사용했었다. 또한 배아줄기세포의 계대배양(passage)을 위해서는 glass pipette을 이용해 사람의 손으로 줄기세포 colony를 하나씩 잘라서 옮겨주는 manual pick-up 방식이 사용되었기 때문에 고도로 훈련을 받은 연구원과 과학자들에게만 배양이 허락되는 매우 진입 장벽이 높은 연구 분야이기도 하였다. 하지만 현재는 많은 연구자들이 비교적 손쉽게 접근할 수 있는 다양한 배양법이 개발이 되었다. 관련 내용을 조금 더 살펴보고자 한다.

2.1.1. 줄기세포 배양액

배아줄기세포와 유도만능줄기세포는 줄기세포의 특성을 유지하기 위해 까다로운 배양조건을 요구한다. 또한 줄기세포는 다른 배양 세포들과는 다른 에너지 메타볼리즘을 이용하기 때문에 이로 인한 배양액 개발에 필요한 다양한 고려사항이 존재한다. mTeSR와 같은 feeder cell이 필요하지 않은 defined medium뿐 아니라 E8과 같은 chemically defined medium도 개발되어 상용화되고 있다. StemCell Technologies에서 생산 판매하고 있는 mTeSR는 Dr. James Thompson과 그의 실험실에서 박사후 연구원(post-doctorial fellow)으로 있던 Dr. Tenneille Ludwig에 의해 처음으로 개발되었다 [11]. 이는 처음으로 MEF와 같은 feeder cell이 필요하지 않으며 또한 배양액의 성분을 정확히 알고 있는 defined media 개발의 효시가 되었으며 이로 인해 배아줄기세포와 유도만능줄기세포를 배양할 수 있는 표준화를 제공했다는 점에서 줄기세포 연구의 또 다른 혁신이었다. 이후 Dr. James Thompson은 StemCell Technologies에 license out을 통해 상용화에 성공하게 되었고 현재 줄기세포 연구자들에게 가장 많이 사용되고 있는 세포 배양액이 되었다. mTeSR가 “modified Te (Tenneille)’s secrete recipe”의 약자라는 사실을 아는 이들은 그리 많지 않다. Dr. Tenneille Ludwig는 WieCell에 Director로 일하고 있으며 올해는 ISSCR (International Society of Stem Cell Research) board member로 추천되어 줄기세포 상용화의 표준화 작업에 큰 기여를 하고 있다. mTeSR에서 한 걸음 더 나아간 chemically defined medium는 E8 media이다. 이는 Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM)/F12을 기본 배지로 사용하여, 64 mg/L L-ascorbic acid-2-phosphate magnesium, 14 μg/L sodium selenium, 100 μg/L fibroblast growth factor (FGF)2, 19.4 mg/L insulin, 543 mg/L NaHCO₃, 10.7 mg/L transferrin, 2 μg/L transforming growth factor (TGF)β1만을 첨가하여 만든 배양액이다 [12]. 단지 8가지 조성으로 구성된 배양액인 만큼 표준화에는 용이한 측면이 있으나 이러한 간혹 minimal 배지가 줄기세포 배양에 충분하지 못한 환경을 만들어 세포 배양에 어려움이 있기도 하여 호불호가 있는 배양액이다. 이후 E7 media 등 점차로 배지 조성 성분을 줄여 나가는 연구를 점차적으로 시도했으나 이러한 제품들은 줄기세포의 특성을 유지한 채로 안정적으로 세포를 성장시키는데 문제가 발생하여 성공적으로 상업화가 되지는 못하였다.

2.1.2. 줄기세포 계대배양(passage)을 위한 reagent

줄기세포 배양을 위해서 mouse embryonic fibroblast (MEF)를 이용한 matrix와 serum 대체제인 knock-out serum replacement (KOSR)를 함유하고 있는 배양액을 사용했던 1세대의 줄기세포 연구자들에게는 계대배양(passage) 역시 쉽지 않은 일이었다. 계대배양(passage)을 위해서는 현미경 아래에서 줄기세포 콜로니를 하나하나 직접 눈으로 관찰하면서 유리 파이펫이나 파이펫 팁등을 이용해 물리적으로 줄기세포 콜로니를 자르는 manual pick-up 방식을 사용하였기 때문이다. 다른 세포주들과 달리 Trypsin과 같은 enzyme을 이용해서 계대배양을 할 경우 세포에 손상을 입어 계대배양(passage) 이후 배양이 되지 않거나 pluripotency를 잃어버려 분화가 돼버리기 때문이었다. 하지만 현재는 계대배양을 위해서 사용되었던 manual pick-up 방식이 아닌 EDTA-based reagent 개발로 줄기세포의 분화능에 영향을 미치지 않으면서 비교적 쉽게 계대배양(passage)이 가능해졌다. 대표적인 EDTA-based dissociation buffer는 StemCell Technologies에서 개발된 ReLeSR와 Thermo Fisher Scientific에서 개발된 Versene을 꼽을 수 있다. Dispase와 accutase 같은 trypsin에 비해 활성이 약한 여러 가지 enzyme들이 그동안 개발되어 사용이 되어왔지만 계대배양(passage)을 위해 enzymatic dissociation buffer를 이용해 single cell로 dissociation 하는 방식은 배아줄기세포 표면에 특이적으로 발현하는 surface marker들인 단백질에 문제가 되기도 하며, 이로 인한 genomic instability의 영향으로 abnormal karyotyping이 발생하기 때문에 좋은 quality의 배아줄기세포를 유지하는데 어려움을 발생시킨다 [13-15]. 따라서 enzymatic dissociation buffer를 이용한 single cell passage 방식이 아닌 EDTA-based dissociation buffer를 이용한 clump passage를 통해 세포를 유지하는 방식을 사용해야 한다.

2.1.3. 줄기세포 배양을 위한 matrix

배아줄기세포와 유도만능줄기세포의 배양에 필요한 다양한 matrix의 개발로 인해 mouse embryonic fibroblast(MEF)를 이용한 matrix를 대체하게 되었고 임상시험에 필요한 기준들을 충족시켜 줄 수 있는 배양법이 완성되었다. Mouse embryonic fibroblast (MEF)가 1세대 matrix였다면 현재 많이 사용되고 있는 matrix는 Corning에서 개발된 Matrigel과 Thermo Fisher Scientific에서 개발된 Geltrex이다. Corning의 Matrigel과 Thermo Fisher Scientific의 Geltrex는 모두 Murine Engelbreth-Holm-Swarm sarcoma(종양)에서 유래된 추출물로 mouse embryonic fibroblast (MEF)를 대체하는 2세대 matrix로 많은 연구자들에 의해 사용되고 있다. 하지만 이 역시 mouse 유래일 뿐 아니라 종양에서 추출된 matrix이기 때문에 임상적용을 위해서는 여러 가지 제약과 한계를 가지고 있다. 최근에는 이러한 한계점을 극복하고자 rhLaminin-521와 Vitronectin과 같은 재조합 단백질(recombinant protein)을 이용한 3세대 matrix가 개발되어 사용되고 있다. 또한 matrix-free의 suspension 방식의 3D 배양법도 최근에 개발이 되어 대량생산에 적용시킬 수 있게 되었다. 현재 널리 사용되는 matrix를 이용한 2D 배양법은 배아줄기세포의 안정적인 성장과 배양조건을 제공하고 있지만 근본적으로 대량생산에는 적합하지 않다. 따라서 matrix가 필요하지 않은 suspension 방식의 3D 배양법의 개발은 bioreactor를 이용하여 대량생산을 위해 꼭 필요한 기술이었다. 현재는 배아줄기세포를 aggregate로 형성시켜서 이를 suspension 방식으로 배양하는 기술과 이에 필요한 배양액이 개발되었으며 이를 이용해 세포치료에 필요한 임상 목적의 대량생산도 가능하게 되었다.

2.1.4. 줄기세포 cryopreservation media

상대적으로 생산에 필요한 시간이 오래 걸리는 줄기세포들은 궁극적으로는 질병이 발병하기 전에 환자의 체세포를 이용해서 미리 만들어 놓아 보관을 하는 banking의 개념을 적용해야 하며 장기간의 보관이 필수적으로 필요하여 이를 위한 cryopreservation기술의 개발 역시 필요하다.. 일반적으로 세포들을 장기적으로 보관하기 위해서는 액체질소를 이용하여 -140°C 이하의 냉동 보관(cryopreservation) 방식을 이용한다. Immortalized 된 많은 세포주들의 경우는 DMSO를 포함하고 있는 세포 배양액이나 serum을 이용하면 -80°C에서 어느 정도까지는 보관이 가능하지만 줄기세포의 경우는 단순하게 세포배양액에 DMSO만을 첨가하여서는 장기간 보존이 불가능하다. 초창기에는 ES qualified serum에 10% DMSO를 첨가해서 배아줄기세포와 유도만능줄기세포를 보관하였지만 freezing and thawing 후 다시 정상적으로 배양이 가능한 recovery 효율이 매우 낮음에 따라 이를 위한 여러 가지 cryopreservation media가 개발되어 왔다. 대표적으로는 StemCell Technologies에서 개발된 mFreSR, Thermo Fisher Scientific에서 개발된 PSC Cryopreservation kit, ReproCell에서 개발한 NutriFreez D10, BiolifeSolutions에서 개발된 CryoStor CS10이 있다. 특별히 CryoStor CS10 제품은 cGMP에서 생산되어 임상을 위한 제품에 사용이 가능하며 여러 가지 줄기세포들에서 가장 좋은 효율을 보여주고 있는 cryopreservation media이다.

2.2. 유도만능줄기세포(Induced pluripotent stem cell)

특정 유전자의 과발현으로 인한 세포 계통(lineage)의 변환은 1986년 Dr. Harold M.에 의해 처음 밝혀졌다. 그는 상피세포(fibroblast cell)가 MyoD의 과발현을 유도함으로 인해 근육세포인 myoblast로 변할 수 있다는 사실을 “Cell”에 처음으로 발표함으로 이러한 가설이 실험적으로 가능함을 보여주었다 [16]. Dr. Weintraub가 뇌종양으로 49세의 나이로 요절하지 않았다면 유도만능줄기세포는 그의 손에서 탄생할 수도 있지 않았을까라고 조심스럽게 예측해 보지만 생명은 어차피 인간의 손에서 결정되는 것도 아니고 과학사에 만약이란 가정은 존재하지 않을 것이다. Dr. Weintraub의 엄청난 발견 후 20여 년의 시간이 지나고서야 마침내, 유도만능줄기세포는 Dr. Yamanaka에 의해 처음으로 이 세상에 등장하게 되었다. 2006년 [4]과 2007년 [3]에 4개의 transcription facto r (c-myc, Klf4, Oct4, Sox2)를 레트로 바이러스(retro virus)를 이용해 완전하게 분화가 이루어진 생쥐(mouse) [4]와 인간(human) [3]의 상피세포(fibroblast)에 각각 주입하여 성체 체세포가 배아줄기세포와 같은 성질을 지닌 줄기세포로 만들어질 수 있음을 보여줌으로 줄기세포 연구의 새로운 역사가 시작되었다. 그 이후로 전 세계 여러 그룹들에 의해서 다양한 유전자 운반체(episomal vector [17], mRNA [18], protein [19], lenti virus [20], AAV virus [21])를 이용한 유도만능줄기세포들이 만들어짐으로 그 기술이 다양하게 검증되었고 이제는 이러한 유도만능줄기세포를 이용해 실제 환자의 질병을 치료하기 위한 임상 단계에 까지 이르게 되었다. 실제로 2018년 이전까지만 해도 배아줄기세포를 이용한 세포 치료제 개발의 임상시험이 유도만능줄기세포 보다 월등히 많았지만 2018년 기점으로는 역전이 되어 현재는 유도만능줄기세포를 이용한 임상시험이 압도적으로 많아졌다. 현재 등록된 줄기세포와 이를 이용한 임상시험에 대한 정보는 Human Pluripotent Stell Cell Registry (https://hpscreg.eu)에서 확인 가능하며 현재 줄기세포를 이용한 질병치료 임상 시험 건수는 총 142건으로 나와있다.

이러한 유도만능줄기세포는 배아줄기세포와 매우 흡사한 기능뿐만 아니라 대사작용의 특성들을 보여주고 있다. 기본적으로 유도만능줄기세포는 체세포와 비교해 매우 빠른 세포 성장과 세포분열을 보여주고 있으며, 세포 내의 에너지 공장인 미토콘드리아의 발생이 미완성으로 유지가 되고 있기 때문에 일반적인 에너지 생성 메타볼리즘이 아닌 glucose 의존적인 glycolysis(해당작용)에 의한 에너지 생성을 보여준다. 일반적으로 체세포들은 하나의 glucose 분자를 세포 내에서 glycolysis(해당작용)를 통해 2개의 pyruvate를 생성시키며, 이렇게 만들어진 pyruvate들은 미토콘드리아로 이동해서 TCA cycle과 oxidative phosphorylation을 거쳐 32개의 ATP를 최종적으로 생성해 세포 내에서 필요한 에너지원으로 사용한다. 하지만 유도만능줄기세포는 완벽하게 미토콘드리아를 발달시키지 못하기 때문에 미토콘드리아를 이용하는 대사작용을 통해 에너지를 생성시킬 수 없다 [22-24]. 따라서 glycolysis(해당작용)를 통해 만들어진 pyruvate가 미토콘드리아로 이동하는 대신 세포 내에서 lactate fermentation을 거치며 다량의 lactate를 형성하게 된다. 실제로 유도만능줄기세포와 배아줄기세포는 세포 내로 glucose를 이동시키기 위한 transport인 Glut1과 Glut4의 발현양이 일반적인 체세포에 비해 월등하게 높다. 이는 비효율적인 glycolysis(해당작용)를 통해 에너지를 생성해야 하기 때문에 많은 양의 glucose를 세포 내로 전달하기 위함이다. 결과적으로 유도만능줄기세포와 배아줄기세포들은 많은 양의 glucose를 세포 내로 이동시키기며 생성되는 lactate의 양 또한 체세포에 비해 월등히 많게 된다.

또 다른 분자생물학적 특징은 매우 빠른 세포분열이다. 유도만능줄기세포와 배아줄기세포는 빠른 세포분열을 유지하기 위해 염색체 끝부분에 존재하는 DNA의 단순 반복 서열인 텔로미어(telomere)가 체세포에 비해 길게 유지되고 있으며 세포의 증식과 분열을 위한 세포주기(cell cycle)도 체세포와는 달리 분열기인 M phage에 많이 분포되어 있다. 이러한 세포적인 특징으로 인해 유도만능줄기세포는 체세포에 비해 매우 빠른 세포 성장을 보여준다.

유도만능줄기세포의 가장 큰 매력은 맞춤형 환자 치료가 가능하다는 점을 들 수 있다. 환자의 줄기세포를 이용해 만들어진 세포이기 때문에 치료를 위해 환자에게 이식 후 발생 가능한 면역거부반응에 대한 위험이 같은 성질의 줄기세포인 배아줄기세포보다 훨씬 적다. 또한 유전적 결함 또는 돌연변이로 인해 생성되는 많은 질병의 경우 특정 유전자에 발생한 이상을 교정해 주어야 하는데 이러한 문제는 유전자 가위(CRISPR-Cas9)를 이용한 편집기술(genome editing)을 이용해 해결할 수 있게 되었다. 환자가 가진 돌연변이 유전자의 특정 locus를 targeting 할 수 있는 유전자 가위(CRISPR-Cas9) 기술은 mutant cell line을 isogenic control cell line으로 만들어 줄 수 있으며 이를 이용해 보다 완전한 치료제로의 개발이 가능하게 되었다. 또한 유도만능줄기세포는 환자 고유의 유전체적 특성을 모두 가지고 있기 때문에 이를 이용한 질병의 모델링이 가능하다. 특정 유전자의 과발현(overexpression)이나 Knock-out을 이용한 질병 모델링은 오랫동안 많은 생물학자들에게 애용되어 왔지만 이러한 인위적인 과발현과 Knock-out 방식의 연구는 자칫 잘못되거나 편향적인 정보(biased information)를 가져다줄 수 있다. 반면에 환자에게서 얻은 세포의 경우 질병이 가지고 있는 유전적 특성을 고스란히 가지고 있기 때문에 보다 정확한 질병의 메커니즘을 이해하는데 도움이 된다. 마지막으로 이러한 유도만능줄기세포를 이용한 질병의 모델링을 통한 drug library screening을 적용할 수 있다. 유도만능줄기세포를 이용한 organoid의 개발은 in vitro를 통한 약물의 독성(toxicity)과 특이성(efficacy)을 보다 성공적으로 마칠 수 있는 발판을 마련해 주었으며 organoid를 이용하여 전임상 단계의 동물 실험을 획기적으로 줄일 수 있는 계기가 되기도 하였다. 아마도 이러한 기술의 발전은 훗날 mousexodus (mouse + exodus)가 가능한 시대를 도래시킬 수도 있을 것이다. 따라서 이러한 유도만능줄기세포를 이용하는 방식들은 보다 in vivo에 가까운 전임상 단계의 실험들을 HTS (high throughput screening)에 적용해 시간을 대폭 단축시킬 수 있으며 무한한 잠재력을 가진 정밀한 신약개발을 위한 도구로서의 사용이 가능할 것이다.

Dr. Yamanaka에 의해 고안된 1세대 유도만능줄기세포는 유전자 전달의 효율성을 극대화하기 위해 레트로 바이러스를 이용해 만들었다. 이 시기에 사용된 방식인 렌티 바이러스나 레트로 바이러스의 경우 인간의 유전체에 무작위 적으로 삽입이 되어 특정 유전자를 전달해 주는 방식이기 때문에 줄기세포를 만든 이후 사용된 4개의 transcription factor (c-myc, Klf4, Oct4, Sox2)들의 발현을 통제할 수 없어서 세포 치료로 인간에게 바로 사용하기에는 어려운 문제점들이 있었다. 또한 많은 연구를 통해서 렌티 바이러스나 레트로 바이러스를 이용한 유도만능줄기세포의 경우 여러 유전체 불안정성(genomic instability)을 보여준다는 사실이 밝혀지기도 했다 [25, 26]. 따라서 세포치료의 목적에 맞게 이후로 많은 연구자들에 의해서 유전체에 삽입이 되지 않는 non-integrating reprogramming 방식, 예를 들어 Sendai virus [27], episomal plasmid [17], mRNA [18], protein delivery [19]등의 새로운 방식의 2세대 유도만능줄기세포들이 개발되었다. 이러한 방법들은 유도만능줄기세포 생성에 필요한 4개의 transcription factor (c-myc, Klf4, Oct4, Sox2)들이 한시적으로만 세포 내에서 발현되어 세포를 역분화(reprogramming) 시킨 후 더 이상 세포 내에 남아있지 않고 사라짐으로 안전성에 대한 문제를 해결해 주었다. 단백질 형태로 전달하는 방식은 너무 낮은 효율로 인해 더 이상 개발되지 않고 있다. 현재 역분화(reprogramming)에 가장 많이 사용되고 있는 방식은 Sendai virus를 이용하는 방식이다. mRNA와 episomal plasmid가 fibroblast와 같은 부착세포의 경우는 좋은 효과를 보이지만 peripheral blood mononuclear cell (PBMNC)와 같은 부유세포의 경우 그다지 좋은 효과를 보이지 않기 때문에 많은 연구자들이 Sendai virus를 이용한 역분화(reprogramming) 방법을 사용하고 있다. 또한 Sendai virus와 episomal plasmid의 경우는 oncogene인 c-myc을 L-myc으로 대체하여 발암에 의한 위험성을 줄여줌으로 안전성에 많은 기여를 하게 되었다.

3. 임상 시험을 위한 줄기세포의 품질관리(Quality Control, QC)와 CMC (Chemistry, Manufacturing, and Controls)

줄기세포를 이용한 치료제로의 개발을 위해서는 엄격한 임상시험의 규격에 맞게 품질 관리의 적용 범위를 넓혀야 한다. 살아있는 세포를 인간의 몸속에 주입하는 것은 매우 효과적인 치료법이기는 하지만 그만큼 다양한 부작용의 위험성도 따라오기 때문이다. 그러기 위해서는 cGMP (current good manufacturing practice)의 허가된 줄기세포 제조 및 배양법의 적립과, 전임상과정의 효능(efficacy)과 안전성(safety)의 확보, 그리고 적법한 규제의 확립이 필수적이다. 특별히 CMC관련 사항은 치료제의 생산에 매우 중요한 요소이다. 미국 FDA는 2020년 1월 세포치료와 유전자 치료에 관련된 임상시험을 위한 신약 신청(Investigational New Drug, IND)에 대한 CMC 권장 사항을 새롭게 추가하였다. 권장 사항의 초점은 SISPQ (safety, identify, strength, purity and quality)로 축약할 수 있는데 이는 품질뿐만 아니라 안전성에 특별히 중점을 두어 관리하는 FDA의 의지를 엿볼 수 있는 대목이다. 특별히 FDA에서 중점적으로 고려하고 있는 부분들은 다음과 같다.

- 제조품들의 특성화(specification/characterization of manufacturing materials)
- eCTD와 같은 제출 관행(filing and submission practices)
- 제조 공정(manufacturing processes/procedures)
- 제품 테스트 고려사항(product testing considerations)

간단히 설명하자면, 먼저 제품 개발을 위해서 가장 적합한 소재를 선택해야 하고. 품질뿐만이 아니라 모든 규정을 준수하고 효능을 뒷받침하는 규제 문서를 포함하고 있어야 한다. 따라서 생산에 사용된 모든 제조품들(시약이나 배양액)이 제조 공정에 사용되며 환자의 치료에 사용이 되는 최종 제품이 아니라 하더라도 생산에 이용된 모든 배양액들과 시약들은 FDA의 DMF (drug master file)에 등록이 되어서 CoA (certificate of analysis)를 제공받을 수 있어야 한다. 또한 제조 과정 중에서 필수적으로 고려해야 할 사항들 뿐만 아니라 생산 후 제품의 보관 및 배송과 관련된 모든 과정에 관련된 문서를 제공해야 한다.

다른 모든 신약개발과 마찬가지로 줄기세포의 생산에도 매우 엄격한 품질관리가 요구된다. 특별히 다분화능(pluripotency)을 지닌 줄기세포들은 앞서 언급한 대로 매우 빠른 세포분열과 세포 성장을 하기 때문에 잠재적으로 인체 내 이식 후 종양(teratoma)을 만들 수 있는 가능성을 품고 있다. 때문에 유도만능줄기세포와 배아줄기세포는 이 세포들 자체로 인체 내에 유입이 돼서는 안 되며 특정 lineage로의 분화를 거친 progenitor 단계의 세포를 이식해야 한다. 또한 이식 과정에서 벌어질 수 있는 여러 감염의 문제들도 매우 중요한 고려사항이다. 살아있는 세포는 그 자체로의 멸균이 불가능하기 때문에 이를 이용하는 제품의 생산에는 항상 여러 가지 오염원의 차단이 필수 적이다. 박테리아성 세균이나 진균류에 대한 검사 방식은 기존의 세포치료와 바이오신약을 통해 오랜 시간 정립이 되어 왔기 때문에 미국의 FDA 외의 여러 나라에서도 매우 유사한 가이드라인을 가지고 있다 [28]. 예를 들어, 세포치료를 위한 제품 생산에 있어서는 박테리아성 세균뿐 아니라 HBV, HCV 그리고 HIV등과 같은 바이러스성 병균에 대한 검사와 Mycoplasma에 의한 오염에 대한 검사가 필수적인 검사 항목이다.

마지막으로 이식 후 환자의 면역 거부로 인한 부작용 등도 임상시험을 위해서 고려해야만 한다 [28]. 이러한 면역 거부 반응을 줄이기 위해 환자 맞춤형 유도만능줄기세포(autologous therapy)를 이용하지만 이러한 환자 맞춤형 생산은 매우 높은 생산비를 요구하기 때문에 off-the-shelf 개념(allogeneic cell therapy)을 도입한 만능 공여자 세포(universal donor cell)의 개발이 진행되어 왔다 [29, 30]. 인간의 생체내에 존재하는 많은 세포들은 사람 백혈구 항원(Human Leukocyte Antigen, HLA)/ 조직 적합성 항원이라는 주조직적합성 복합체(Major Histocompatibility Complex, MHC)를 구성하는 항원을 지니고 있으며 이 HLA의 적합성 여부에 따라 이식 후 면역 거부 반응이 발생하기도 한다. 하지만 무수히 많은 HLA의 종류와 이를 구성하는 MHC의 조합은 공여자와 이식을 받는 환자에게 조직 접합성과 이로 인한 면역 거부 반응의 문제를 야기한다. 이는 장기이식뿐만 아니라 줄기세포를 이용한 세포 치료의 경우도 마찬가지이다. 따라서 이러한 HLA를 유전자 편집 기술을 이용해 제거함으로써 HLA 일치 없이 모든 환자에게 투여가 가능한 세포 치료를 만드는 것을 목표로 하고 있다. 대표적으로 미국 Seattle에 위치한 University of Washington의 교수이자 Universal Cells의 Founder였던 Dr. David Russell이 고안한 Universal donor cell이 있다. 이는 HLA class I을 제거하기 위해 B2M 유전자를, HLA class II을 제거하기 위해 CIITA를 제거하는 방식이었으며 이후 많은 연구자들에 의해 발전되어 오고 있지만 아직 완전한 생산품이 나오기에는 넘어야 할 벽들이 남아 있다.

세포주들 간의 교차 오염은 매우 심각한 품질관리 문제이다. 이를 막기 위해서는 single tandem repeat (STR) genotyping을 통해서 세포주의 identity를 확립하여야 한다. single tandem repeat (STR) genotyping은 일종의 세포들의 지문으로 개개인이 가지고 있는 single tandem repeat의 수가 다르기 때문에 이를 이용하여 환자 고유의 identity를 부여할 수 있다. 일반적으로 세포치료에 사용되기 위한 유도만능줄기세포주들은 역분화에 사용된 체세포 단계(parent cell)에서 한번, 역분화 후 정립된 세포주의 master cell banking 단계(유도만능줄기세포)에서 한번 그리고 분화 후에 생산된 최종 세포 단계 이렇게 최소한 3단계에 걸쳐 STR genotyping을 수행하여서 세포 이식에 사용되는 세포주의 identity의 변화가 없음을 확인해 주어야 한다. 또한 유도만능줄기세포 단계에서 유전자 편집 기술을 이용해 engineering 단계가 첨부되었다면 이후 반드시 single tandem repeat (STR) genotyping을 첨가해 주어야 한다. 다만 유전자 조작을 필요로 하는 역분화(reprogramming) 단계를 거치는 유도만능줄기세포에 비하여 배아줄기세포는 이러한 생산 단계가 필요하지 않기 때문에 조금 더 간단한 품질관리가 요구된다고 할 수 있다.

줄기세포는 많은 연구자들을 통해서 배양 방식과 환경에 따라 다양한 유전적 변이와 비정상적인 karyotyping이 형성될 수 있음을 보여주고 있다. 앞서 언급한 대로 single cell passaging 방법은 이러한 abnormal karyotyping을 야기시킬 수 있는 좋지 않은 배양 방법이다. 그렇기 때문에 임상에 들어가기 앞서 이러한 유전적 변이가 세포에 생성이 되었는지 면밀하게 확인해야 한다. 가장 고전적인 방법 중의 하나인 G-band staining karyotyping은 cytogenetics 기술을 이용한 방법으로서 염색체(condensed chromosome)를 염색하여 염색체의 커다란 손실(deletion)이나 첨부(addition)를 시각적으로 확인할 수 있는 방법이다. 또한 translocation과 같이 염색체의 일부가 다른 염색체로 옮겨지는 이상은 쉽게 확인할 수 있다. 하지만 이러한 방식은 5-10Mb 이상의 커다란 손실(deletion)이나 첨부(addition) 만을 시각적으로 확인할 수 있기 때문에 염색체의 작은 결실 등은 확실할 수 없다. 따라서 임상시험에 사용하기 위한 배아줄기세포와 유도만능줄기세포의 경우 일반적으로 10번의 계대배양마다 G-band staining을 통한 karyotyping을 확인해야 하며 master cell banking 단계나 임상에 사용하기 위한 세포 생산 후 단계의 세포들은 보다 정확한 정보를 위해 whole genome sequencing (WGS)나 KaryoStat과 같은 array based karyotyping을 통한 정밀한 스크리닝을 포함해야만 한다.

한국 줄기세포 연구의 흑역사는 2000년대 초반 황우석 사태에 이어서 2019년 인보사 사태를 또다시 겪게 된다. 황우석 사태가 연구 윤리 인식에 대한 부재의 결과였다면 인보사 사태는 치료제 품질관리의 부재에서 발생한 재앙이라고 할 수 있다. 인보사는 골관절염 치료를 위한 세포/유전자 치료제인데, 유전자 형질도입을 위해 사용되는 레트로 바이러스 생산에 필요한 GP2-HEK293 세포가 생산품에 그대로 남아있게 되었고 치료를 위해 처방을 받았던 많은 환자들은 치료 물질과 함께 신장 암세포를 통증 부위에 주입하게 되는 어처구니없는 사태가 벌어지게 되었던 것이다. 사실 이러한 부분은 생산 과정 중 품질관리 단계에서 검증이 되어야 하지만 이미 수천 명의 환자들에게 투여가 진행된 이후에 발견이 되는 전대미문의 사태가 발생한 것이다. 인보사 사태는 우리에게 세포치료제 개발에 있어 품질관리가 얼마나 중요한지를 다시금 깨닫게 해주는 계기가 되었지만 이러한 교훈을 얻기 위해 지불했던 대가는 너무나 크고 가혹했다.

4. 대표적인 iPSC 관련 기업들 

2023년 기준 유도만능줄기세포를 이용한 치료제 시장 규모는 약 USD 1.9B$(2조 6천 억원)이며 2032년까지 USD 4.3B$(5조 9천억 원)로의 성장이 예상되고 있다. 앞서 언급한 대로 유도만능줄기세포는 그 자체만으로는 치료제로 사용될 수 없고 다양한 계통 분화를 거쳐 질환에 맞는 세포로의 생산을 필요로 하고 있다. 따라서 관련 산업들도 매년 급격하게 증가하고 있다. 현재까지 개발이 진행되고 있는 세포로는 다양한 혈액세포(blood cell), 간세포(hepatocyte), 상피세포(fibroblast), 다양한 신경세포들(neural cell), 그리고 심근세포(cardiomyocyte)등이 있다. 이 중 심근세포(cardiomyocyte) 시장이 전체 시장의 1/3 가량을 차지하여 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 이는 전 세계 사망 원인 1위가 심혈관질환이며 마땅한 치료법이 없는 관련 질환에 좋은 대안이 되고 있다는 반증이기도 하다. 또한 심근세포(cardiomyocyte)의 경우 줄기세포를 이용한 분화 방법이 다른 세포들에 비해 간단하며 두 가지의 small molecule인 GSK3 inhibitor (CHIR99021)과 WNT inhibitor (IWP2)만을 이용해 생산할 수 있다는 점 등 여러 성장인자들(growth factors)을 요구하는 다른 세포들에 비해 생산비를 크게 절감할 수 있는 생산/공정의 측면에 기인해 강점으로 사료된다.

현재 유도만능줄기세포를 이용한 세포치료제 개발에 관련된 여러 회사들 가운데 이를 생산품에 따라 크게 구분을 해 보자면 세포 배양에 필요한 배양액과 관련 제품을 생산하는(raw material) 회사들과 실제로 유도만능줄기세포들과 관련된 세포치료제를 생산하는(manufacturer) 회사로 크게 나누어 볼 수 있다. 대표적인 배양액과 관련 제품을 생산하는(raw material) 회사는 앞서 언급이 되었던 StemCell Technologies와 Thermo Fisher Scientific, Corning, ReproCell, Bio-Techne, 그리고 Takara Bio와 같은 회사들이 있고, 관련된 세포치료제를 생산하는(manufacturer) 대표적인 회사로는 FUJIFILM, Vertex Pharmaceuticals, Cynata Therapeutics, Astellas, Axol Biosciences, Fate therapeutics, Viacyte, BlueRock Therapeutics 그리고 Ncardia 등이 있다. StemCell Technologies, Takara Bio 그리고 ReproCell 등은 배양액뿐만 아니라 실제로 상업화에 이용이 가능한 유도만능줄기세포를 직접 생산해 판매까지 하고 있다.

ReproCell은 이전에 mRNA 기반 reprogramming을 개발하여 상용화하였던 Stemgent를 인수하여 만들어진 회사이다. Stemgent는 mRNA 기반 reprogramming kit를 판매하며 reprogramming service를 함께 제공하였던 회사였으나 ReproCell로의 인수 합병 이후 cell banking 사업을 비롯해 다양한 CRO service도 함께 제공하고 있다.

FUJIFILM은 Dr. James Thompson이 설립한 Cellular Dynamics를 인수하고 나서 매우 공격적으로 투자를 진행하며 다양한 줄기세포 관련 세포의 생산과 연구에 전력을 다하고 있다. 아마 현재 줄기세포관련 CDMO 혹은 CRO 관련 회사로는 가장 규모가 큰 투자와 생산을 담당하는 곳이 FUJIFILM일 것이다. 최근에는 NIH의 Dr. Singeç를 CSO로 영입하면서 연구역량을 강화하고 있다.

Astellas 역시 앞서 언급한 Universal Cells을 비롯해 Advanced Cell Technology의 후신인 Ocata Therapeutics, Audentes Therapuetics, IVERIC bio 등 세포치료와 유전자치료를 중점으로 하고 있는 회사들을 공격적으로 인수하여 세포치료제 회사로 역량을 키워가고 있다. 공교롭게도 ReproCell, FUJIFILM 그리고 Astellas 모두 일본의 자본으로 미국에 설립된 기업으로 Dr. Yamanaka를 키워낸 일본의 줄기세포에 대한 지대한 관심과 미래의 산업을 선점하기 위해 얼마나 많은 사람들이 함께 협력하는지를 볼 수 있는 대목이기도 하다.

현재 유도만능줄기세포를 이용한 세포치료제의 가장 최전선에서 일하고 있는 기업은 Fate Therapeutics일 것이다. 현재 B-cell Lymphoma를 타깃으로 개발 중인 유도만능줄기세포 유래 CAR-NK치료제 FT522와 유방암과 같은 고형암 타겟으로 개발 중인 유도만능줄기세포 유래 CAR-T 치료제 FT825를 가지고 임상 1상을 진행 중에 있다. 하지만 이전에 개발을 진행하였던 acute myeloid leukemia 타깃 유도만능줄기세포 유래 CAR-NK치료제인 FT516과 FT538 그리고 또 다른 B-cell Lymphoma를 타깃이었던 CAR-NK치료제 FT596, 고형암을 타깃으로 개발하였던 CAR-NK치료제 FT536는 현재 개발이 중단된 상태이다. Fate Therapeutics와 함께 유도만능줄기세포를 이용한 혈액암 치료제 개발의 선두 그룹을 이루고 있는 기업은 Century Therapeutics를 꼽을 수 있다. 최근에는 Chad Cowan이 설립한 Clade Therapeutics를 인수하여 외형 확장 전략을 취하고 있다. 재미있는 사실은 Century Therapeutics가 미국 동부의 대표적인 도시 필라델피아를 기반으로 하고 있으며 Fate Therapeutics는 미 서부 캘리포니아의 샌디에이고(San Diego)를 기반으로 하고 있는 기업이라는 점이다.

Vertex Pharmaceuticals는 2022년 Harvard의 Dr. Douglas Melton의 영입과 함께 Viacyte를 인수 합명하여 소아당뇨병(type 1 diabetes) 치료제 개발 파이프라인에 유도만능줄기세포를 추가하게 된다. 그 결과 줄기세포를 이용하여 islet cell을 생산하여 insulin 분비를 조절하는 치료제를 개발(VX-880) 임상시험에 들어가게 되었다. 하지만 VX-880는 임상시험 도중 2명의 환자가 사망해 2024년 초 중단되었다가 다시 임상시험을 진행하고 있다.

Fate Therapeutics가 유도만능줄기세포를 이용한 항암 관련(CAR) 치료에 선두를 달리고 있다면 유도만능줄기세포를 이용한 퇴행성 신경질환 치료의 경우 미국의 BlueRock Therapeutics과 Aspen neuroscience을 꼽을 수 있다. 두 회사 모두 파킨슨질환 치료를 위해 환자 유래 도파민 신경세포를 이용한 치료법을 개발하고 있다. 앞서 Fate Therapeutics와 Century Therapeutics처럼 BlueRock Therapeutics과 Aspen neuroscience도 미국의 대표적인 동부 서부 도시를 기반으로 경쟁을 하고 있다. BlueRock Therapeutics가 미국 동부의 뉴욕과 캐나다의 토론토를 기반으로 성장해오고 있다면 Aspen neuroscience는 미 서부 캘리포니아의 샌디에이고(San Diego)를 기반으로 하고 있다.

Cynata Therapeutics는 특이하게 호주를 기반으로 iPSC 유래 MSC 치료제를 개발하고 있는 회사이다. Cynata Therapeutics의 처음 타깃 질환은 스테로이드에 내성을 지닌 Graft-versus-host disease (GVHD)였다. 치료를 위해 환자 유래 유도만능줄기세포를 이용 mesenchymal stem cell(MSC)을 생산하였다. 특히 Cynata Therapeutics는 자체 개발한 Cymerus라는 기술을 응용해 MSC를 생산, 이를 이용한 심장 관련 질환, 천식, 당뇨병, 급성호흡곤란, 관절염을 비롯 뇌암과 패혈증에 이르기까지 다양한 질병의 치료 pipeline을 구축하여 임상을 진행하고 있다.

세포치료제 개발은 아니지만 유도만능줄기세포를 이용한 다양한 세포 생산에 가장 많은 노력을 기울였던 회사는 앞서 언급했던 FUJIFILM과 Axol Biosciences를 손에 꼽을 수 있다. 줄기세포 유래 분화 세포를 사용해 기초연구를 진행했던 경험이 있는 연구자라면 아마도 한 번씩은 구매 경험이 있는 제품들로 생각되는데 현재는 다양한 신경세포들(neural cell), 심근세포(cardiomyocyte), 간세포(hepatocyte), 혈액세포(hematopoietic cell)들을 생산해서 연구용으로 판매하고 있다. 줄기세포 특별히 환자 유래 유도만능줄기세포의 경우는 다양한 질환들의 특징을 배양 용기에서 구연하는 특징이 있기 때문에 이러한 세포를 이용한 질병의 모델링이나 약물의 스크리닝은 질병을 이해함과 동시에 관련 약물 개발에까지 큰 도움이 되고 있다.

5. 진행중인 임상시험들

현재 배아줄기세포와 유도만능줄기세포를 이용한 많은 전 임상 단계의 실험들에서 치료의 유의한 결과들로 인해 관련된 질병 치료 목적의 임상시험 역시 활발하게 진행 중에 있다 [31, 32]. 현재 임상시험에 대한 정보와 결과는 다양한 곳에서 확인 가능하다. 대표적으로 ClinicalTrials.gov와 World Health Organization (WHO)에서 관리하고 있는 International Clinical Trials Registry Platform (ICTRP, https://www.who.int/clinical-trials-registry-platform)를 들을 수 있다. Human Pluripotent Stell Cell Registry (https://hpscreg.eu)에서는 줄기세포를 이용한 임상시험 정보를 공유하고 있다. 유도만능줄기세포는 앞서 언급한 대로 역분화(reprogramming) 기술, 특별히 안전성(safety) 측면에서 큰 우려의 문제를 해결해 준 non-integrating reprogramming 기술 개발과 GMP grade의 다양한 배양액과 matrix들의 개발로 인해 cGMP 조건에 맞추어 생산되고 배양된 다양한 clinical grade의 세포주가 현재 개발되었다. 이로 인해 점차 많은 임상시험이 진행되고 있다. 실제로 2018년 이후 유도만능줄기세포를 이용한 임상시험 건 수는 배아줄기세포를 이용한 임상을 역전하였고 해마다 급격하게 증가하고 있다. 유도만능줄기세포를 이용한 첫 번째 임상시험은 2013년 일본 RIKEN에서 시행된 Age Related Macular Degeneration 치료를 위한 연구였다. 두 번째 임상시험의 시도는 2016년 Cynata Therapeutics에서 스테로이드에 내성을 지닌 Graft-versus-host disease (GVHD) 환자 치료를 위한 환자 유래 유도만능줄기세포에서 제작된 mesenchymal stem cell이다. 이 후로 많은 환자 유래 유도만능줄기세포를 이용한 다양한 질환을 타깃으로 임상 시험이 계속해서 진행되고 있다.

배아줄기세포를 이용한 임상시험은 그 연구의 오랜 역사만큼 오랜 시간 다양한 질환을 타깃으로 많은 케이스가 진행되어 왔고 현재도 진행 중에 있다. 하지만 앞서 언급한대로 유도만능줄기세포의 생산기술의 발전과 환자 맞춤형 치료라는 장점들 덕분에 최근에는 유도만능줄기세포를 이용한 임상시험 건수가 압도적으로 많아지고 있다. 미국 FDA에서 IND 허가를 받고 배아줄기세포를 사용한 첫 번째 임상시험은 2009년 척수(spinal cord) 손상을 치료하기 위한 Geron의 시도였으나(GRNOPC1) 임상1상의 무의미한 치료 효과에 의해 사업 포기의 결과를 낳게 되고 관련 사업은 Asterias Biotherapeutics으로 넘어가게 되었다. 이후 여러 다른 기업들이 배아줄기세포를 이용한 세포치료제를 개발하여 임상을 진행하고 있으며 현재는 약 29개의 임상시험이 배아줄기세포에서 유래된 세포를 이용해 진행 중에 있다 (표 1 참조). 하지만 여전히 많은 임상시험들이 적은 환자군(cohort)만을 가지고 성능(efficacy)을 확인하고 안전성(safety)을 테스트하기 위한 PoC (proof of concept) 단계에 머물러 있다. 또한 많은 임상시험에 사용되는 배아줄기세포는 유도만능줄기세포와는 달리 세포주 생성 단계에서부터 임상시험을 위해서 제작된 것이 아니라 연구 목적으로 제작된 research grade 세포를 임상시험을 위해 cGMP 조건에 맞추어 다시 배양한 세포주들이다. 대표적으로 널리 알려진 H1, H9의 경우는 이전에 만들어진 research grade 배아줄기세포를 cGMP 환경 아래에서 배양을 진행하고 관련 검사들을 마친 이후 clinical grade로 명명한 세포주이다. 현재까지 clinical grade 조건 아래 처음부터 생산된 배아줄기세포는 매우 소수이다. 대표적으로는 Hadassah facility에서 제조된 HAD-C100과 HAD-C102 cell line [33]을 들 수 있다.

배아줄기세포를 이용한 임상시험이 이루어지고 있는 질병과 임상이 진행되고 있는 국가는 아래와 같다.

Ischemic heart disease (Assistance Publique-Hopitaus de Paris/프랑스),
Age Related Macular Degeneration (Astellas Pharma/미국, Cell Cure Neurosciences/이스라엘, CHA biotech/한국, Chinese Academy of Sciences/중국, Regenerative Patch Technologies/미국, Pfizer/영국),
Stargardt macular dystrophy (Astellas Pharma/미국, CHA biotech/한국, Federal University of San Paulo/브라질),
Macular degenerative disease (Southwest Hospital/중국),
Spinal cord injury (Asterias Biotherapeutics/미국),
Parkinson’s disease (Chinese Academy of Sciences/중국),
Diabetes mellitus type1 (Viacyte/미국, 캐나다),
Retinitis pigmentosa, severe ocular surface disease (Eye Institute of Xiamen University/중국) [1].

표 1. 현재 임상에 사용 중인 배아줄기세포 [34]

체세포 핵이식(somatic cell nuclear transfer, SCNT)을 이용한 줄기세포의 경우는 앞서 언급한 대로 성공률이 매우 낮아서 많은 세포주가 만들어지지 못했고 현재 단 1건만이 임상시험으로 진행 중에 있다. 극히 제한적인 기술로 인해 향후 체세포 핵이식(somatic cell nuclear transfer, SCNT)을 이용한 줄기세포에서 만들어진 세포를 이용해 진행될 가능성은 극히 희박하다.

유도만능줄기세포는 앞서 언급한 대로 역분화(reprogramming) 기술, 특별히 안전성(safety) 측면에서 큰 우려의 문제를 해결해 준 non-integrating reprogramming 기술 개발과 GMP grade의 다양한 배양액과 matrix들의 개발로 인해 cGMP 조건에 맞추어 생산되고 배양된 다양한 clinical grade의 세포주가 개발되었고 많은 임상시험이 진행되고 있다. 실제로 2018년 이후 유도만능줄기세포를 이용한 임상시험 건 수는 배아줄기세포를 이용한 임상을 역전하였고 해마다 급격하게 증가하고 있다. 유도만능줄기세포를 이용한 첫 번째 임상시험은 2013년 일본 RIKEN에서 시행된 Age Related Macular Degeneration 치료를 위한 연구였다. 두 번째 임상시험의 시도는 2016년 Cynata Therapeutics에서 스테로이드에 내성을 지닌 Graft-versus-host disease (GvHD) 환자 치료를 위한 환자 유래 유도만능줄기세포에서 제작된 mesenchymal stem cell이다. 이후로 많은 환자 유래 유도만능줄기세포를 이용한 다양한 질환을 타깃으로 임상 시험이 계속해서 진행되고 있다.

지난 10년간 세포 치료를 위한 줄기세포 유래 세포 생산은 3가지의 종류의 세포에서 현재는 22가지 종류로 늘었으며 이와 비례해 치료를 타깃으로 하는 질병의 종류도 현재는 44개나 된다. 2011년에서부터 2017년까지는 총 30건의 임상 시험 중 16건(53%)이 안과 질환이었으나 2018년부터 2022년까지의 78건의 임상 시험 중 단지 12건(15%)만이 동일한 질환이었고 나머지 85%는 새로운 다른 질병에 관련된 치료제 개발이었다.

현재 가장 많은 임상 시험을 기록한 줄기세포 유래 세포는 retinal pigment epithelial (RPE) cell이다 [31]. 이는 환자에게서 유래된 유도만능줄기세포를 이용한 최초의 임상시험이기도 하다. 2013년 일본 RIKEN에서 Age Related Macular Degeneration 치료를 위한 첫 번째 임상시험은 순조롭게 진행되었다. 환자 유래 유도만능줄기세포를 이용하여 retinal pigment epithelial 세포로 in vitro에서 분화를 시킨 다음 분화된 retinal pigment epithelial 세포를 환자에게 이식하는 것이었다. 이식 후 6개월 만에 환자는 유의미한 시력의 회복을 보여주었고 환자의 안전과 관련된 어떠한 나쁜 증후도 보이지 않았다. 하지만 두 번째 임상시험을 준비하던 중 환자의 체세포에서는 나타나지 않았던 2개의 유전자 변이가 이식을 위해 준비 중이었던 retinal pigment epithelial 세포에서 발견됨으로써 모든 연구는 중단되는 사태가 발생하였다. 이러한 유전자 변이가 없었더라면 아마도 환자 유래 유도만능줄기세포를 이용한 첫 번째 세포치료제의 성공적인 개발이 완료되었겠지만 현재도 이러한 퇴행성 시력에 관련된 임상 시험은 22개가 진행 중에 있으며 완성된 치료제 개발은 현재 진행형으로 남아있다 (표 2 참조).

두 번째로 많은 임상시험이 진행되고 있는 세포 종류는 natural killer (NK) cell이다. 현재 18개의 임상이 진행되고 있는데 이 중에 75% 이상이 Fate therapeutics에서 진행하고 있는 임상 시험들이다. Fate therapeutics에서는 다양한 Chimeric antigen receptor (CAR)를 이용한 줄기세포 유래 natural killer (NK) cell을 개발 중에 있다. 또한 유전자 편집 기술을 이용한 off-the-shelf 유도만능줄기세포 개발에도 많은 노력을 기울이고 있다. Fate therapeutics는 최근 구조조정의 아픔을 겪고 있기는 하지만 줄기세포 유래 natural killer (NK) 치료제의 개발이 완성된다면 아마 그 영광은 Fate therapeutics 품속으로 향하지 않을까 조심스럽게 예측해 본다. 다만 CAT-T 치료의 경우 현재 6가지의 치료제가 개발을 완료해 상용화가 되었으나 natural killer (NK) cell을 이용하고 있는 CAR-NK의 경우는 효능(efficacy)의 문제로 인해서 아직까지 FDA의 승인을 받은 치료제가 없다.

현재 진행 중인 유도만능줄기세포를 이용한 주요한 임상시험 중 하나는 일본의 교토 대학과 미국의 BlueRock Therapeutics 그리고 Aspen neuroscience에서 진행 중인 Parkinson’s disease 치료를 위한 유도만능줄기세포 유래 도파민 뉴런의 전구체(dopaminergic progenitor)의 세포이식 방법이다. 최근 나온 임상 1상의 결과는 상당히 고무적인 효과를 보여주고 있어 Parkinson’s disease 환자들에게 큰 희망이 되고 있다.

다른 신약개발과 마찬가지로 줄기세포를 이용한 세포치료제의 개발은 기술과 자본의 결정체이다. 최첨단 기술들이 거대한 자본의 투자로 결실을 맺을 수 있는 산업의 특성으로 인해 미국을 비롯한 일본, 중국, 유럽 등 특정 국가에서 산업을 이끌어 나가고 있으며 관련 규제와 임상시험도 이들 국가의 주도로 계속해서 새로이 만들어지고 있다. 따라서 한국도 이러한 변화에 능동적으로 대처하면서 규제를 적립해 나가는 것이 중요하다.

표 2. 지난 10년간 줄기세포를 이용한 치료제 개발을 위한 임상 시험 건수 [34]

6. 결론(글을 마치며)

인류 생존과 질병 치료를 위한 새로운 약물 개발에 대한 도전은 지난 수천 년간 끊임없이 지속되어 왔다. 이는 단순한 기술의 개발뿐만이 아니라 새로운 질병의 도래와도 함께 지속적으로 진화하며 발전되어 왔기에 신약개발의 패러다임(paradigm)도 계속해서 발전해 왔다. 1 세대 신약의 개념은 주로 질병의 특정 타깃에 특이적인 반응성을 보이는 화학물질의 추출이나 합성을 통한 것이었다. 이러한 합성 신약들은 대부분 small molecule로서 단백질에 특이적인 inhibitor 혹은 activator의 역할을 해야 하기 때문에 특이성(specificity)이 매우 중요하며 이에 따른 비특이적인 반응으로 인한 부작용이 개발에 커다란 문제였었다. 따라서 이러한 예측하지 못한 부작용으로 인한 임상시험의 실패가 막대한 개발 비용 증가와 함께 오랜 개발 시간의 주요한 원인이 되기도 하였다. 이후 1970년대 유전공학의 등장과 함께 발전한 recombinant DNA의 기술은 분자생물학의 한 획을 이루게 되었으며 기존의 단백질 공학의 급격한 발전을 가져오는 계기가 되었다. 마침내 Dr. David Goeddel와 그의 연구팀이 Genentech에서 처음으로 human Insulin을 recombinant DNA 기술을 이용해 생산에 성공하였고 이를 이용해 1982년 Genentech과 Lilly가 함께 HUMULIN을 선보인 것이 2 세대 신약인 바이오 의약품의 시초가 되었다. 따라서 신약개발의 의미가 small molecule의 합성 신약에 국한되지 않고 단백질 공학을 이용한 단일 클론 항체(monoclonal antibody, mAb) 기반의 항체 치료와 같은 바이오 신약의 개념으로까지 확장되었다. 이러한 바이오 의약품의 성장은 세포배양 기술을 함께 발전시켜 왔으며 최근에는 환자의 치료를 위해 살아있는 세포를 환자에게 직접 주입하는 세포 치료의 개념으로까지 그 범위가 넓혀지고 있다. 이로써 우리는 3 세대의 신약 개발의 시대에 진입하게 된 것이다. 이것은 small molecule(합성 신약)에서 출발해서 large molecule(바이오 신약)을 거쳐 mega molecule(세포치료제)로의 진화를 의미하기도 한다.

줄기세포의 발견과 역분화(reprogramming)를 이용한 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell)의 개발 그리고 CRISPR-Cas9을 이용한 유전자 편집기술은 재생 의학뿐만 아니라 근대 의학과 신약개발의 흐름을 바꾸어준 커다란 사건들이었다. 기존의 관념적인 치료법은 질병의 원인이 되는 단백질의 억제나 특정 병원균을 타깃으로 병원균의 억제 혹은 제거를 목적으로 개발되었으나 이것이 질병의 근원적인 치료법이 되지 못하는 경우가 비일비재하였다. 하지만 줄기세포를 이용한 세포치료법은 정상적으로 작동할 수 없거나 기능이 없는 세포나 기관을 새롭게 바꾸어 주는, 기존의 치료법으로는 치료가 불가능했던 여러 가지 질병의 근본적인 완치의 치료법을 제시해 준다.

수정과 발생에서부터 생명의 탄생에 이르기까지 세포의 발생과 분화는 인간의 기술 영역이 아닌 자연의 수동적 섭리라고 인류는 생각해 왔다. 하지만 이제는 기술을 통해서 이러한 자연의 현상이 재창조될 수 있음을 보여준 것이 줄기세포를 통한 세포치료법이다. 비록 질병 치료를 위해 바로 적용하기에는 기술적 문제들이 많이 남아있기는 하지만 이러한 기술적인 문제들이 아주 먼 미래가 아닌 다가올 미래에 극복될 수 있으리라 예상해 본다.

본 동향리포트는 2020년 5월 발간된 한국보건산업진흥원 발간보고서에 저자 본인이 투고한 “줄기세포를 이용한 세포치료의 현재와 미래”를 기반으로 다시 작성되었습니다. 또한 본 동향리포트에서 언급된 모든 회사와 관련 생산품에 대해 저자는 이해관계(conflict of interest)를 가지고 있지 않습니다.

7. 참고문헌

==>첨부파일(PDF) 참조

저자 한민준(Ngene Biotech Inc.) 저자는 KAIST에서 학부와 석사를 마친 후 LG화학에서 연구원으로 근무하였다. 이후 도미 Pennsylvania State University에서 Biochemistry 전공으로 박사학위를 취득하였고 Harvard Medical School에서 박사후 연구원을 거쳐 St. Jude Children’s Hospital과 AstraZeneca 등에서 책임연구자로 연구 후 현재는 미국 Ngene Biotech에서 COO 겸 Head of Preclinical Research로 재직 중이다.