- S1P 신호를 켜자 심근세포 분화율 90% 넘어…박동도 성인 심장에 가까워져
- 심근경색 동물모델에서 심장 기능 회복·흉터 감소…신약 평가와 재생의료 활용 기대

우리 몸 전체로 피를 보내는 핵심 장기인 심장은 한번 손상되면 재생 능력이 매우 제한적이기 때문에, 신약 개발 시 심장에 독성이 있는지를 정확히 검사하거나 손상된 심장을 치료하는 기술이 오랫동안 의학계의 숙제로 남아있었다. 최근에는 인간만능줄기세포(hPSC)를 이용해 시험관에서 심근세포(심장근육세포)를 만들어 내는 기술이 활발히 연구되고 있다. 다만, 기존 방식으로 만든 심근세포는 아직 다 자라지 않은 '어린 아기 세포' 상태에 머물러 있어, 실제 어른의 심장처럼 힘차고 규칙적으로 뛰지 못하고 세포주에 따라 분화 효율의 차이가 크다는 한계가 있었다.

한국생명공학연구원(원장 권석윤, 이하 생명연) 줄기세포융합연구센터 손미영(UST 생명과학 전공책임교수)ㆍ이미옥 박사(UST 생명과학 전공 교수) 연구팀은 혈액 속 지질 신호물질이 심근세포의 분화와 성숙을 촉진하는 핵심 신호임을 밝혀내고, 이를 통해 성인 심장에 가까운 기능적 특성을 보이는 고품질 심근세포를 만드는 기술을 개발했다.

연구팀은 소의 혈청을 넣었을 때 줄기세포가 심근세포로 잘 자란다는 점에 착안하여, 혈청 속 여러 성분 중 생리활성 지질 신호 물질인 S1P와 이를 인식하는 수용체 S1PR1에 주목했다. 인간만능줄기세포에 S1P 또는 S1PR1 선택적 작용제(SEW2871)를 처리한 결과, 90% 이상이 심근세포로 분화했으며, 성숙도와 기능적 특성도 향상됐다. 이렇게 자란 심근세포는 어른 심근세포처럼 세포 크기가 커지고, 심장을 뛰게 하는 근육 마디가 촘촘하게 정렬되었으며, 박동 신호와 전기적 특성이 훨씬 더 규칙적이고 강력해졌다. 반면, 유전자 가위 기술(CRISPR-Cas9)로 S1PR1 유전자를 제거한 줄기세포는 S1P를 처리해도 심근세포로 제대로 분화하지 못하는 것을 확인하여, S1P–S1PR1 신호가 심근세포의 분화와 기능적 성숙에 핵심적인 역할을 한다는 사실을 과학적으로 증명했다.

나아가 연구팀은 심근경색(심장 혈관이 막혀 심장 근육이 죽는 질환)에 걸린 실험동물에 이번 기술로 만든 성숙한 심근세포를 이식했을 때, 손상된 심장의 펌프 기능이 크게 회복되었을 뿐만 아니라 심장이 딱딱하게 변하는 섬유화 현상이 현저히 줄어들고 이식된 세포가 심장 조직에 잘 정착하는 치료 효과를 확인했다. 이번 연구는 기존 줄기세포 유래 심근세포의 낮은 성숙도와 분화 효율의 한계를 보완하고, 성인 심장에 가까운 기능적 특성을 갖는 심근세포를 안정적으로 확보했다는 점에서 의미가 크다. 이는 신약 개발 초기 단계에서 약물이 심장에 미치는 영향을 보다 사람과 유사한 조건에서 평가할 수 있는 차세대 플랫폼으로 활용될 수 있으며, 나아가 심근경색과 같은 치명적인 심장질환 치료를 위한 세포치료제 개발에도 크게 기여할 것으로 기대된다.

연구책임자인 손미영 소장(UST 교수)은 “이번 연구는 혈액 속 신호 물질을 활용해 줄기세포 유래 심근세포의 분화 효율과 기능적 성숙도를 동시에 향상시킨 성과”라며, “향후 사람 유래 심장 모델을 활용한 신약 안전성·유효성 평가와 심장 재생의료 기술 개발에 활용될 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

한편, 이번 연구 결과는 Experimental & Molecular Medicine (IF 17.5) 7월 2일 온라인판에 게재되었으며, 과기정통부 바이오·의료기술개발사업, 범부처재생의료기술개발사업, 식약처 출연연구개발사업, 산업통상자원부 산업기술혁신사업 및 연구회(NST) 생명연 전략연구사업 및 주요사업의 지원으로 수행되었다.

* 논문명 : Sphingosine-1-phosphate receptor 1 signaling stimulates human pluripotent stem cell-derived cardiomyocyte differentiation and maturation 

* 저자: (교신저자) 생명연 손미영·이미옥·권오만 박사 / (공동 제1저자) 생명연 유원동 박사, 건국대학교 이슬기 박사
 
용어 설명

1. S1PR1(Sphingosine-1-phosphate receptor 1)
세포막에 존재하는 수용체 단백질로, S1P와 결합하여 세포의 성장, 이동, 생존 및 분화와 관련된 다양한 신호를 전달한다.

2.  S1P(Sphingosine-1-phosphate)
세포막을 구성하는 지질에서 유래한 생리활성 지질로, S1PR 계열의 수용체와 결합하여 세포의 성장, 생존, 이동 및 분화 등을 조절한다.

3. 유전자 가위 기술(CRISPR-Cas9)
특정 DNA 염기서열을 선택적으로 절단하여 원하는 유전자를 제거하거나 변형할 수 있는 유전체 편집 기술이다.

4. 인간만능줄기세포(hPSC)
스스로 증식하면서 인체를 구성하는 모든 세포로 분화할 수 있는 능력을 가진 줄기세포로, 배아줄기세포(hESC)와 유도만능줄기세포(hiPSC) 등을 포함한다.

5. SEW2871
S1PR1을 선택적으로 활성화하는 합성 화합물(agonist)로, S1P–S1PR1 신호전달의 생물학적 기능을 연구하는 데 활용된다.

연구 결과 개요

□ 연구배경
인간 만능줄기세포(hPSC)로부터 제작한 심근세포는 심장질환 연구, 신약의 심장독성 평가 및 재생의료 등에 활용될 수 있으나, 세포주에 따른 분화 효율의 차이와 낮은 성숙도 및 기능성이 실제 활용을 제한하는 주요 문제로 남아 있다. 기존 분화 과정에서 사용되는 동물 유래 혈청(FBS)은 심근세포 분화를 촉진할 수 있지만, 성분이 명확하지 않고 배치 간 편차가 있어 표준화된 배양 및 임상적 활용에 한계가 있다. 이에 연구진은 혈청의 심근세포 분화 촉진 효과에 관여하는 핵심 인자를 규명하고, 이를 이용한 화학적으로 정의된 고효율 심근세포 분화법을 개발하고자 하였다.

□ 연구내용
본 연구진은 유전자 발현 분석을 통해 혈청에 포함된 생리활성 지질인 S1P와 그 수용체 S1PR1의 신호전달이 심근세포 분화를 촉진하는 핵심 요인임을 확인하였다. S1P 또는 S1PR1 선택적 작용제인 SEW2871을 처리한 결과, 인간만능줄기세포의 심근세포 분화 효율이 약 90% 이상으로 향상되었다. 또한 S1PR1 활성화로 제작된 심근세포는 심근세포 특이적 유전자 발현뿐 아니라 근절 구조, 세포 크기, 전기생리학적 기능 및 미토콘드리아 에너지 대사 기능이 향상되었다. CRISPR-Cas9을 이용해 S1PR1 유전자를 제거하자 이러한 효과가 감소하였으며, 추가 분석을 통해 p38–MAPK 신호전달 경로가 S1P–S1PR1에 의한 심근세포 분화 촉진의 주요 하위 기전임을 확인하였다. 나아가 심근경색 동물모델에 S1P 또는 SEW2871을 이용해 분화시킨 심근세포를 이식한 결과, 기존 심근세포 이식군보다 심장 수축 기능이 개선되고 심근 섬유화와 심실벽 손상이 감소하여 재생치료 활용 가능성을 확인하였다.

□ 연구성과의 의미
본 연구는 S1P–S1PR1 신호전달이 인간만능줄기세포 유래 심근세포 분화의 효율성 향상과 기능적 성숙을 촉진하는 핵심 기전임을 규명하는 데 의미가 있다. 동물 유래 혈청 없이 고효율·고기능성 심근세포를 생산할 수 있는 배양 전략을 제시했다는 데 의미가 있다. S1PR1 유전자 결손 세포와 신호전달 분석을 통해 S1P-S1PR1-p38 MAPK로 이어지는 심근세포 분화 조절 기전을 제시함으로써 심장 발생 및 심근세포 분화에 대한 이해를 확장하였다. 제작된 심근세포의 치료 효과를 심근경색 동물모델에서 검증함으로써 향후 심장질환 모델링, 신약 및 심장독성 평가, 심근 재생치료 등에 활용할 수 있는 기반을 마련하였다는 점에서 의미가 있다.

□ 이번 성과 뭐가 다른가
기존의 인간만능줄기세포 유래 심근세포 제작 기술은 세포주에 따라 분화 효율의 편차가 크고, 만들어진 심근세포의 기능적 성숙도가 낮다는 한계가 있었습니다. 그러나 이번 연구에서는 S1P–S1PR1 신호가 심근세포 분화에 중요한 역할을 한다는 점을 규명하고, 이를 선택적으로 활성화하여 높은 효율로 기능성이 향상된 심근세포를 제작하는 방법을 제시하였습니다.


□ 어디에 쓸 수 있나
고품질의 인간 심근세포를 안정적으로 생산할 수 있다면 신약 후보물질의 심장독성 및 약효 평가, 심장질환 모델링 등 다양한 연구에 활용할 수 있으며, 장기적으로는 심근경색과 같이 심근세포가 손실되는 질환에서 세포 이식을 통한 심근 재생치료 연구에도 활용될 가능성이 있습니다. 특히 최근, 심장 패치형 세포치료제가 승인됨에 따라. 이러한 심근 분화 효율의 향상의 중요성이 대두되고 있으며, 본 연구에서도 S1PR1을 활성화하여 제작한 심근세포가 심근경색 동물모델의 심기능 개선과 섬유화 감소에 기여함을 확인하였습니다.

□ 실용화까지 필요한 시간은
본 연구만으로 실용화까지 필요한 구체적인 기간을 제시하기는 어려우나, 최근 일본에서의 인간 만능세포 유래 심근세포의 세포치료제 승인 소식은 본 연구의 재생치료 목적의 임상 적용 가능성 및 초기 신약개발 과정에서 활용되는 심장 독성 평가나 질환 모델 같은 체외 플랫폼으로서의 중요성을 강조할 수 있습니다.

□ 실용화를 위한 과제는
실제 임상과 연계된 재생치료에 활용하기 위해서는 보다 다양한 인간만능줄기세포주에서도 높은 분화 효율과 기능성이 재현되는지 검증하고, 대량생산 및 품질관리 공정을 확립하는 과정이 필요하며, 또한 이식된 심근세포의 장기간 생존과 기능 유지, 부정맥 및 종양 발생 등의 안전성을 충분히 평가하고, 보다 큰 동물모델에서 치료 효과와 안전성을 검증하는 후속 연구도 필요합니다.

□ 연구를 시작한 계기는
본 연구진은 앞서 인간만능줄기세포를 심근세포로 분화시키는 과정에서 태아소혈청(FBS)을 짧게 처리하면 심근세포 분화 효율이 크게 향상되는 현상을 관찰하였습니다. 그러나 FBS에는 다양한 구체적으로 확인되지 않는 다수의 성분이 포함되어 있어 어떤 인자가 이러한 효과를 유도하는지는 명확하지 않았습니다. 본 연구에서는 그러한 분화 촉진 효과를 분석한 결과 S1P와 그 수용체인 S1PR1의 심근세포 분화 조절 기능과 활용 가능성을 규명함으로써, 이종 유래 물질을 최소화하는 방법을 확립하였습니다.

□ 에피소드가 있다면
본 연구는 오랜 기간 동안 여러 선배 연구자들의 노력과 성과가 이어져 완성된 연구입니다. 다양한 성분이 복합적으로 존재하는 혈청에서 특정 인자와 신호전달 기전을 하나씩 규명해 나가는 과정이 개인적으로 매우 흥미로웠습니다. 오랜 시간 축적된 연구를 최종적인 성과로 완성했다는 점에서 함께 연구한 분들께 감사한 마음으로 연구에 참여할 수 있었습니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표는
최근 심근세포 시트와 같은 줄기세포 기반 치료제가 실제 임상에 적용되는 사례를 보면서 실제로 큰 동기부여를 받고 있습니다. 아직은 손상된 심장을 직접적으로 재생시키기보다는 회복을 돕는 단계에 가깝지만, 이러한 연구들이 실제 치료로 이어지는 과정을 보며 언젠가 수행하는 연구들이 특정 질병을 이해하는 데 그치지 않고, 실질적으로 유의미한 기여를 해보고 싶습니다.

□ 신진연구자를 위한 한마디
최신 연구와 기술이 너무 빠르게 발전해 이제는 같은 분야의 연구자조차 모든 흐름을 따라가기 벅찬 시대라고 생각합니다. 그럼에도 저는 그저 이 분야가 너무 재미있습니다. 특히 직접 배양한 심근세포가 눈앞에서 팔짝 뛰는 모습을 관찰하는 것은 연구자로서 큰 즐거움이었습니다. 그저 자신이 흥미를 느끼는 연구를 오래 즐길 수 있었으면 좋겠습니다.