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기형종 유발할 수 있는 세포, 선택적 제거 가능해진다
생명과학 한국생명공학연구원 (2020-11-26)

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<한국생명공학연구원 이장욱 박사, 박종진 박사>


국내연구진이 기형종(teratoma)을 유발할 수 있는 전분화성 세포들을 선택적으로 제거할 수 있는, 전분화성 줄기세포 특이 항체-약물 복합체를 개발하였다. 향후 줄기세포 기반 기능성 세포치료제의 임상 진입 및 안전성 제고에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

한국생명공학연구원(이하 생명연) 바이오신약중개연구센터 이장욱 박사팀(교신저자: 이장욱 박사, 제1저자: 박종진 박사)이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국생명공학연구원이 추진하는 ‘고효율 맞춤표적항체 기반기술 구축사업’과 ‘항체 기반 파킨슨병 세포치료제 파이프라인 구축사업’의 지원으로 수행되었고, 바이오메테리얼지(Biomaterials, IF 10.317) 8월 13일자(한국시각 8월 12일) 온라인 판에 게재되었다.
(논문명 : Selective elimination of human pluripotent stem cells by Anti-Dsg2 antibody-doxorubicin conjugates)

줄기세포 기반 세포치료제의 임상 진입 및 신약개발 성공을 위해서는 분화 후 이식에 있어서 발생되는 기형종(Teratoma) 형성 위험성을 해소해야만 한다.

인간 배아줄기세포를 비롯해 유도만능줄기세포가 가지는 전분화능(Pluripotency)은 신경세포, 간세포, 심장세포, 혈관세포 등 다양한 조직 세포로의 분화에 중요한 역할을 한다.

다수의 줄기세포 연구가 기능성 세포치료제 분야의 폭발적인 성장에 견인 역할을 해왔으나, 특정 세포(ex. 신경전구세포)로의 분화 유도 후에도 남아있는 미분화 줄기세포 또는 전분화능 보유 세포들의 존재 등으로 여전히 임상 적용에 제한적이다.

연구팀은 전분화성 줄기세포 특이적 표지인자(Dsg2)와 이에 대한 항체 (K6-1)를 기반으로, 특정 세포로 분화 유도된 세포에서 기형종 형성을 유발하는 군을 선택적으로 분리/제거시킬 수 있는 기술을 확보하였다.

현 기술 수준으로, 단일 세포 형태로 동정/분리가 진행되는 항체 기반 FACS 또는 MACS 기술이 활용되고 있으나, 분화된 세포 또는 조직을 온전한 상태로 분리하기에는 한계가 있어 세포 생존율 및 실제 생체내 치료 효능 저하가 예상되었다.
    * Fluorescent & Magnetic activated cell sort (FACS & MACS) : 목적하는 세포를 형광 및 자성으로 표지하여 선택적으로 분리해내는 장치

연구팀은 K6-1 항체와 세포사멸인자(Doxorubicin, DOX)가 결합된 항체-약물 복합체를 제작하였다. 이 복합체가 K6-1 항체에 의해 미분화 줄기세포에 선택적으로 전달되고, 세포 내로 이입된 세포사멸인자가 효과적으로 세포사멸(Apoptosis)을 유도시킴을 확인하였다.
    * Doxorubicin : DNA에 손상을 입혀 암세포를 죽일 수 있는 안트라사이클린계 항종양 항생제

나아가, 해당 복합체가 선처리한 미분화 줄기세포가 그 전분화능 (Pluripotency)를 잃어 기형종(Teratoma)이 형성되지 않음을 전임상 동물모델에서 검증하였다.

주목할 점은, 분화 유도된 세포를 단일 세포 형태로 해리/분리시키지 않고도 남아있는 미분화 줄기세포를 효과적으로 제거시켰고, 분화세포 기능성에 영향을 주지 않았다는 것이다.

이러한 사실은 현재 다수 개발된 전분화능 줄기세포 기반 세포치료제의 치료 유효성 및 기능성을 유지하면서, 분화 후 일부 남아있는 미분화 줄기세포로 인한 안전성 문제의 해결 가능성을 시사한다.

연구책임자인 이장욱 박사는 “동 연구성과는 항체 기반 표적 제어기술을 줄기세포 치료 안전성 제고에 적용한 유의미한 결과”라며, “이미 또는 새로이 발굴되는 미분화 줄기세포 표적과 이에 결합하는 항체를 폭넓게 활용하여 난치성, 퇴행성 질환에 효과적 세포 치료제뿐만 특정 조직 또는 장기로 분화시킬 수 있는 줄기세포 재생의료 연구에도 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
 

연   구   결   과   개   요

□ 연구배경
○ 줄기세포를 기반으로 한 세포치료제 임상 진입 및 신약개발을 위해서는 해결해야 하는 많은 과제가 있으며, 대표적으로 난제가 인간 배아줄기세포(Embryonic stem cell)를 비롯해 유도만능 줄기세포가 공통적으로 분화 후 이식(Transplantation)에 있어서 발생 가능한 기형종(Teratoma) 생성 문제이다.
○ 이는 줄기세포가 가지는 전분화능(Pluripotency)에 기인하는 것으로, 신경세포, 간세포, 심장세포, 혈관세포 등 다양한 조직 세포로의 분화에 중요한 역할을 한다.
○ 다수의 줄기세포 연구 개발 사업들이 줄기세포 제조 및 분화에 관련한 괄목할만한 성과를 거뒀고 세포치료제 분야의 폭발적인 성장에 견인 역할을 해왔으나, 특정 세포(ex. 신경전구세포)로의 분화 유도 후, 분화군집체 내 미분화성 줄기세포 잔존 또는 전분화능 보유 세포 존재 등으로 여전히 임상 적용에 제한적이다.  
○ 현재 대다수의 연구기관들에서는 단일 세포 형태로 동정/분리가 진행되는 항체기반 FACS 또는 MACS 기술을 활용하고 있으나, 분화된 세포 또는 조직을 온전한 상태로 분리하기에는 한계가 있어 세포 생존율 및 실제 생체내 치료 효능 저하가 예상되므로, 이를 극복할 새로운 특정세포 분리 및 제거 기술 개발이 필요하다.

□ 연구내용
○ 연구팀은 분화된 세포 또는 조직의 기능성에 영향을 주지 않고, 일부 남아있어 기형종(teratoma) 형성을 유발할 수 있는 미분화 줄기세포를 효과적으로 제거시킬 수 있는 항체-약물 복합체를 개발하였다.
○ 이 연구에서 연구팀은 Dsg2단백질을 미분화 줄기세포 표적 항원으로 제시하였고, 이와 결합하는 항체에 세포사멸인자 DOX를 결합시켜 줄기세포 유래 분화군집체 내 남아있는 미분화 줄기세포를 선택적으로 제거시킬 수 있었다.
○ 미분화/분화 세포 혼합 배양 조건에서 K6-1(미분화 줄기세포 특이적 결합항체)-DOX 복합체가 K6-1 (미분화 줄기세포 특이 결합항체)에 의해 미분화 줄기세포에 선택적으로 전달되고, 세포 내로 이입된 DOX(세포사멸인자)가 효과적으로 DNA를 손상시켜 세포사멸을 유도하였다.
○ 이 복합체로 선처리된 미분화 줄기세포를 마우스 동물 고환에 주입하여 기형종(teratoma) 형성 유무를 관찰해 보았다. 비특이적 복합체 처리 동물군에서  눈에 띄게 기형종이 형성되는 반면, K6-1-DOX 복합체 처리 동물군은 정상 동물군과 동일한 조직염색학 면역화학적 분석 결과가 확인되었다.
○ 즉, 본 연구의 성과는 K6-1-DOX 복합체를 이용하여 테라토마 형성을 유발하는 잔여 미분화 줄기세포를 효과적으로 제거 또는 전분화능을 소멸시킬 수 있으며, 동시에 특정 분화 조직 및 주변 정상조직의 영향을 최소화시킬 수 있음을 검증한 것이다. 전분화성 줄기세포 유래 세포치료제가 가지는 테라토마 형성 가능성을 사전 감지 및 방지함으로써, 실제 임상 적용시 발암 위험성을 줄이는데 유용하게 쓰일 것이라 기대됨

□ 연구성과의 의미
▶ 미분화 줄기세포 선택적 분리/제거 기술 : 전분화성 줄기세포 기반 세포치료제 임상 적용시 발암 위험성 줄이는데 유용
○ 본 연구의 전분화성 세포 표지인자 특이적 항체는 세포 치료법 개발 시, 발암 위험이 있는 미분화 줄기세포나 전분화성을 보유한 세포의 제거나 특정 세포만의 순수분리에 사용할 수 있으므로 난치성 퇴행성 질환 치료를 위한 세포 치료법의 안전성 및 유효성 검증에 활용가치가 클 것으로 예상된다.
○ 특히, 전분화성 표적항체에 세포사멸 약물을 탑재시킨 항체-약물 복합체(Antibody-Drug conjugates)는 기형종(teratoma) 형성 부작용을 야기하는 전분화성 세포를 선택적으로 제거할 수 있는 기술로 현재까지 개발된 줄기세포 기반 세포치료제의 임상 진입 및 성공 가능성을 높일 것이라 기대됨
○ 최근 기술적으로 상당한 진보를 이루고 있는 역분화 줄기세포 기반 세포 치료제 분야에서 취약점으로 인식되고 있는 안전성 확보 분야의 기술을 확보함으로 다양한 질환으로의 연구 범위를 확대 및 강화 할 수 있다.
○ 국내의 많은 바이오 기업 및 벤처 기업에서 현재 활발히 개발하고 있는 분야중 하나가 세포 치료제이며, 대부분은 성체 줄기세포를 이용한 것임. 세포치료제의 안전성 확보를 통해 성체 줄기세포의 안전성을 높이는 기술을 제공함으로써 많은 기업의 치료제 개발 성공에 큰 기여를 할 수 있을 것이라 기대됨


연 구 결 과  문 답

이번 성과 뭐가 다른가

1. 현재 국내 대부분의 줄기세포 기반 연구개발는 세포치료제에 대한 새로운 적응증 선정 및 치료 유효성 검증에만 지나치게 편중되어 있음.
2. 본 연구는 항체 기반 미분화 줄기세포 선택적 분리/제거 기술로 기능성 세포치료제 임상 적용시 발암 위험성 줄이는데 유용한 안전성 검증 등과 같은 실질적인 적용 연구임

어디에 쓸 수 있나

1. 특정 세포 표지인자 특이적 항체 및 항체-약물 복합체는 발암 위험이 있는 미분화 줄기세포나 전분화성을 보유한 세포의 순수분리 또는 제거 기술
2. 줄기세포 기반 세포치료제 및 조직재생의료 분야에서 취약점으로 인식되고 있는 안전성 확보 분야의 기술로 다양한 질환 치료로의 적용 가능
3. 특히, 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌질환 치료를 위한 생체도입 안전성이 확보된 세포치료제 개발로 가능성이 높음

실용화까지 필요한 시간은

본 연구결과는 항체-약물 복합체를 통해 미분화 줄기세포를 선택적으로 제거시켜 분화세포 치료제의 임삼 안정성 향상에 대한 Proof of concept를 제시하는 기초연구로서, 실제 줄기세포 기반 세포치료제 부작용 억제 효능 검증 및 임상 단계의 시도와 속도에 따라 실용화 소요시간이 결정될 것

실용화를 위한 과제는

각 분화 lineage 별로 미분화 줄기세포를 규정할 수 있는 항체가 확보되어야 하고, 기형종 형성 유발 세포의 제거뿐 아니라, 전분화성 유지에 관여하는 유전자, 펩타이드, 그리고 단백질 등을 제어할 수 있는 새로운 전분화성 제어 플랫폼 구축이 선행되어야 함

연구를 시작한 계기는

미분화 줄기세포 바이오마커 및 이를 선택적으로 표지할 수 있는 항체가 다수 발굴되었고, 꾸준히 개발되어지고 있는 반면에, 이를 분리/제거하는 기술은 기존의 FACS 장치를 기초로 매우 한정적임. FACS 기반 기술에서 필수과정인 단일 세포로의 해리 과정 (Single cell dissociation)은 낮은 분화세포 생존 및 치료 효능을 야기함. 분화된 세포 또는 조직 그 온전한 상태에서 미분화 줄기세포를 효과적으로 제거해보자는 모티브로 연구 수행을 시작하였음.

에피소드가 있다면

본 연구팀은 신규 미분화 줄기세포 바이오마커 규명 및 특이항체를 발굴하여 이미 연구보고를 했었다. 이 표지마커가 예후가 좋지 못한 암종들에게서도 동일하게 발현된다는 사실을 인지하게 되었고, 항암 치료 표적으로 하는 연구를 활발하게 진행하고 있었다. 반면, 줄기세포 연구분야가 워낙에 새로운 적응증 발견 또는 치료 유효성 극대화 연구에 초점을 맞추다보니, 오히려 미분화 줄기세포 마커는 어떻게 활용할지에 대해 방향 설정이 어려운 상태였음. 현 기술 수준 아니 향후도 마찬가지겠지만, 전분화성 줄기세포에서 100%로 분화세포 또는 조직을 얻을 순 없을 것이다. 여기서 우리는 줄기세포 치료 유용성이 아닌 안전성을 향상시켜 임상 진입을 좀 더 수월하게 안전성이 확보된 줄기세포 치료제 개발에 적용해보자 논의를 시작하였음.

꼭 이루고 싶은 목표는

①줄기세포 기반 신경세포 분화 및 유효성 검증 기술과 ②항체기반 미분화 줄기세포 표적 제어 기술을 융합해 생체도입 안전성이 확보된 다양한 난치성·퇴행성 치료용 세포치료제 개발 파이프라인 구축

신진연구자를 위한 한마디

본 연구성과는 기초-임상을 잇는 중개연구 관점으로 미분화 줄기세포의 표지인자를 임상 안전성 향상 연구로 활용하였다. 신약개발에 있어 연구자들의 최종 목표는 질환 치료이다. 기초연구자 관점에서 질환 기전에 대한 심도 있는 연구는 매우 중요하다. 응용/임상 연구자 관점에서 상용화 가능한 치료제 개발에 노력하는 것 또한 당연하다. 여기서 우리 신진연구자들의 창의적인 생각에 기초-응용-임상을 아우르는 폭넓은 시야를 더해야 할 것이다. 여러 연구자들 간의 융합연구뿐 만 아니라, 개개인의 연구자도 실제 임상에서 치료제로 활용 (Durgable) 될 가능성에 역점을 둔 실질적인 연구를 해야 한다. 조그마한 것에도 의문을 갖고, 새롭고 폭넓은 시각과 생각을 더해 다양한 각도로 발전시킬 수 있게 노력한다면 신진연구자들도 좋은 결실을 얻을 수 있을 것이다.
 

 미분화 줄기세포 표적 항체-약물 복합체 제작 모식도

 

 

그림 1. (A) 미분화 줄기세포 표적 항체-약물 복합체 제작 모식도 (B-D) 항체-약물 복합체의 분자량 및 약물 방출 거동

미분화 줄기세포와 인간근육세포 혼합 환경에서의 미분화 줄기세포 선택적 전달 효능 확인

 

그림 2. (A) 미분화 줄기세포와 인간근육세포 혼합 환경에서의 미분화 줄기세포 선택적 전달 효능 확인 (형광현미경 촬영, 세포핵; 파란색, 인간근육세포; 녹색, 약물; 빨간색), (B) 항체-약물 복합체에 의한 미분화 줄기세포 선택적 제거 효능 확인 (Dsg2 단백질을 Flow cytometry & Western blot 분석).

역분화 줄기세포 유래 신경세포 군집체 내 남아있는 전분화성 줄기세포 선택적 제거 효능 확인

  

그림 3. 역분화 줄기세포 유래 신경세포 군집체 내 남아있는 전분화성 줄기세포 선택적 제거 효능 확인 (Dsg2 단백질을 Flow cytometry & Western blot 분석).

in vivo 기형종(teratoma) 형성 억제 효능 검증

그림 4. in vivo 기형종(teratoma) 형성 억제 효능 검증. (A) 미분화 줄기세포의 마우스 고환 주입 8주 후, 적출한 고환의 이미지, (B) 고환의 크기 및 (C) 무게 정량 분석, (D & E) 내배엽, 중배엽, 그리고 외배엽 형성 유무 확인 (H&E staining & Western blot).

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본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다. [기사 오류 신고하기]
 
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