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웹진 Vol.23, No.12 (2021년 12월) 발간
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ISSCR 2021 학회 참가기
ISSCR 2021 학회 참가기 저자 구소연 (Weill Cornell Medicine, Memorial Sloan K...)
등록일 2021.08.24
자료번호 BRIC VIEW 2021-C07
조회 1137  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
2021년 06월 21일에서 26일까지, 6일에 걸쳐 진행된 International Society for Stem Cell Research 국제 줄기세포 학회의 발표를 정리한다. 올해는 특히, 줄기세포를 이용한 합성 배아 기술로 학계가 과학적, 윤리적 논쟁으로 뜨거웠고, 또한 줄기세포로부터 분화된 여러 종류의 장기 세포들이 임상에 적용되는 등, 줄기세포 분야 연구가 다방면에서 많은 진보가 있었다. 이에 대해 많은 연사들이 6일이라면, 짧다면 짧고 길다면 길게 느껴지는 한 주 동안 발표를 진행하였다. 이에 더 나아가 앞으로의 줄기세포 동향에 대해 논하였다. 저자는 주로 Plenary session 과 roundtable 구두 연설에 초첨을 맞추어 리포트한다. 줄기세포에 관심이 있는 과학자라면 꼭 추천하는 학회이다.
키워드: 줄기세포, 재생 의학, 오가노이드, 질병 모델링, 조직 엔지니어링, 발생학, 세포학, Stem Cells, Regenerative Medicine, Developmental biology
분야: Neuroscience, Developmental_Biology, Cell_Biology

목 차

1. 학회 소개
2. 프로그램
  2.1. Plenary I: Presidential 심포지엄, Roundtable Discussion 1 (06/21/21, 월)
  2.2. Plenary II: Stem Cell Niches and Roundtable Discussion 2 (06/22/21, 화)
  2.3. Plenary III: Emerging Technologies (06/23/21, 수)
  2.4. Plenary IV: Self-organization of developmental processes (06/24/21, 목)
  2.5. Plenary V: Cellular Identity (06/25/21, 금)
  2.6. Plenary VI: Cellular Therapy and Tissue Engineering, Plenary roundtable,and Plenary VII: Break-through in Therapy Development (06/26/21, 토)
3. 마무리 및 느낀점
4. 참고 문헌


1. 학회 소개

International society for stem cell research (ISSCR) 국제 줄기세포 학회는 세계에서 줄기세포 연구 및 재생 의학 분야의 과학자들이 모이는 가장 포괄적인 모임이다. 이 대표적인 행사는 참석자들에게 최첨단 대화형 가상 회의 환경에서 지식을 공유하고, 협업하며, 네트워크를 형성할 수 있는 기회를 제공한다.

이 학회에서는 줄기세포 연구의 새로운 기술과 임상 응용을 탐구하는 미 발표된 획기적인 연구를 선보이며, 올해는 그 전의 학회 회의 진행방식과는 다르게 5개의 큰 과학적 주제((1) Tissue Stem Cells and Regeneration (aka. TSC): 조직 줄기세포와 재생; (2) Cellular Identity (aka. CI) (3) Modeling Development and Disease (aka. MDD): 발생과 질병 모델링 (4) New Technologies (aka. NT): 신기술 (5) Clinical Applications (aka. CA): 임상 적용)에 초점을 맞추며 진행이 되었다. 총 6일에 걸쳐 진행된 학회는 매일 이 핵심 주제 중 한두 가지 주제에 초점을 맞추어 참가자가 쉽게 본인 연구 관심 분야에 맞는 세션을 참여할 수 있도록 안내하였다.

또한, 올해 새로운 것은 3개((1) Fascination with Gastrulation: The Applications and Ethics of Modeling Early Development: 낭포의 매력 - 초기 발달 과정 모델링의 응용 및 윤리; (2) Stem Cell Organoid Models as Empirical Testbeds for Personal Medicine and Development- focusing on cystic fibrosis: 개인 의약품 개발을 위한 경험적 테스트베드로서의 줄기세포 오가노이드 모델 - 낭포성 섬유증을 중심으로; (3) Engineered Tissues: Challenges to bring to clinic: 클리닉에 가져오기 위한 남은 어려움)의 본 회의 원탁회의(roundtables)이다. 이 원탁회의는 커뮤니티 간의 활발한 토론과 의견을 일으키게 해주었다.

마지막으로, 7개의 회의 주제((1) Presidential symposium: what is a germ layer? (2) Stem cell niches (3) Enabling technologies /emerging technologies (4) Self-organization of development processes (5) Cellular identity (6) Cellular therapy and tissue engineering (7) Breakthrough in therapy development)는 해당 분야의 뛰어난 리더들을 초대하여, 그들의 연구에 관해 들을 수 있는 기회를 마련하였다.

처음으로, ISSCR은 주요 과학자들이 줄기세포 연구의 형평성에 관한 패널을 주최하여 STEM의 형평성을 증진하고, 역사적으로 소수 그룹의 과학자를 지원하는 노력을 기울였으며, 제3회 연례 Women in Science에서는 여성 지도자들을 소집하여 리더십 직책으로 전환하는 데 있어 겪는 어려움과 성공에 대해 논의하였다.

2021년 과학상 수상자들(Valentina Greco, Madeline Lancaster, Stuart H. Orkin, Janet Rossant)은 프로그램 전반에 걸쳐, 각기 다른 요일에 특별 강연을 진행하였고, 이들은 과학이 현재 어디에 있고 어디로 향하고 있는지 논의하는 시간을 가졌다.

심장 분야의 대가인 Christine Mummery가 올해 학회의 회장으로, 회의에는 325명 이상의 연사와 700명 이상의 포스터 발표자가 있었으며, 모든 회의가 virtual로 진행되었음에도 불구하고 많은 전 세계의 연구자들이 한 자리에 모인 연례 큰 행사였다.

2. 프로그램

2.1. Plenary I: Presidential 심포지엄, Roundtable Discussion 1 (06/21/21, 월)

첫날의 presidential 심포지엄은 ‘What is a germ layer?’라는 주제로 각각의 germ layer (배엽) – ectoderm, endoderm, mesoderm – 로부터 파생된 세포들을 이용하여, 임상 적용 연구를 하는 5명의 리더들을 한자리에 모았다. 이 세션은 Christine Mummery 지휘아래 각각의 리더가 본인이 가졌던 “Ah- Ha! Moment 또는 eureka moment”을 theme로 발표가 진행되었다.

A. Chuck Murry, MD PhD (University of Washington) “Endoderm Part
Genome Editing to eliminate engraftment arrhythmia during heart regeneration
줄기세포 생물학 및 조직 공학에 중점을 두어, 심혈관 분화에 대한 분자적 기초를 이해하고, 심장 줄기세포가 심장을 복구할 수 있는 잠재력을 활용해 새로운 치료법을 개발하기 위해 노력.
특히, 심근경색(심장마비)의 생물학, 특히 경색 후 심장이 어떻게 치유되는지에 대한 연구에 집중.
성체(골수, 심장, 지방)는 이식 후 장기간 몸에 생착하지 않고 임상시험에서 효과가 없었음.
Aha! Moment: 줄기세포로 만들어진 심근세포를 이식한 원숭이는 심장 기능을 회복함 (생착 후 8주 후부터 임상효과) (Liu et al., Nature biotech 2018). 하지만, 현재 필드에서 가장 큰 걱정은 줄기세포로부터 만들어진 심근세포가 이식 후 부정맥을 일으키고, 그로 인해 허영성 돼지, 원숭이 동물 모델에 심장마비를 일으킨다는 것 (Chong et al., Nature 2014; Shiba et al., Nature 2016;). 이에 대해 Murry박사는 이를 극복하기 위한 대안을 발표함.
Gene editing을 이용해 많은 이온 채널들(HCN4, KCNJ2, CACNA1H, etc)을 없애거나(KO), 또는 과 발현(OE) 시킴으로써, engraftment arrhythmia 억제 정도를 테스트함.
HCN4 KO or PIEZO1 KO or KCNj2 OE 된 single gene edited 라인으로 만들어진 심근 세포는 돼지 동물 모델에 이식되었을 때 여전히 부정맥 문제를 일으켜 cardiac death로 이어짐.
HCN4/CACNA1H/SLC8A1-3KO + KCNJ2-OE (triple KO and single OE) 라인으로 만들어진 심근 세포는 전기적으로는 활발하지만(electrically active), 부정맥의 문제를 일으키지 않음
 
B. Meritxell Huch, PhD (Max Plank) “Endoderm Part
Liver and Pancreas Organoids; studying regeneration and disease
Huch 박사는 1) 성체 세포로부터 파생된 간과 췌장 오가노이드 모델 개발과 2) 간 재생을 제어하는 생물학적 메커니즘을 규명.
Lgr5는 췌장 줄기세포를 표시하는 마커로 사용하였으며, 이 마커로 이용하여 분리된 세포들(Lgr5+)로 처음 intestinal 오가노이드 모델 구축 (Barker et al., Nature 2007).
Lgr5는 간에 있는 줄기세포도 label 하는 것이 발견되어, Hugh 박사는 이를 follow-up 함.
Aha! Moment: 하지만, Lgr5을 이용하여 분리된(Lgh5+) 위장 줄기세포들은 자라지 않았고, Hugh 박사는 Lgr5+ 셀들이 Wnt-pathway dependent 하게 자라는 것을 규명하였으며, FGF, Wnt를 활성화 시키는 물질을 줄기세포 미디어에 넣어, “첫” 위장 오가노이드 모델 구축. 이 외에도 Hugh 박사는 처음으로 간 오가노이드 모델을 구축.
환자에서 유래된 간 오가노이드는 전사체 프로필(transcriptome profile), 유전자 변형(genetic variation), 조직학(histological organization)이 Primary tissue와 비슷하게 유지되었다고 발표함.
 
C. Lorenz Studer, MD (MSKCC) “Ectoderm Part
Deriving and repairing the Enteric Nervous System from hPSCs
Studer 박사 랩은 발달 원리를 기반으로 human 배아 만능 줄기세포로부터 신경 조직(ectoderm neural tissue)으로 변환시키는 간단하지만, 매우 효율적인 플랫폼을 개발함 (Chambers et al., Nature Biotech 2009). BMP 및 TGFb/Activin/Nodal 신호의 소분자 억제제를 통한 이중 SMAD 억제가 90% 이상의 신경 세포로 전환을 유발하기에 충분하다는 것을 보여줌으로써, 이런 기술로 현재 Studer 랩에서는 50가지 이상의 다양한 세포들을 human 만능줄기세포로부터 분화할 수 있는 기술을 가짐.
하지만, embryonic stem cell (배아줄기세포)로부터 분화된 세포들은 “fetal/embryonic” 초기 발달 과정의 세포들로 post-natal or adult stage의 세포들의 특징을 잘 나타낼 수 없다는 제한점이 있음. 최근 연구로는 chemical screening 통해 이런 배아줄기세포의 세포들을 “성숙”하게 만드는 chemical cocktail을 찾아냄.
장 신경계(Enteric Nervous System; ENS)는 인간 자율 신경계의 가장 크고, 가장 다양한 구조를 가짐. 치명적인 선천성 질환인 히르쉬스프루병(HSCR)을 치료하기 위해 human 배아 / 유도 만능줄기세포에서 ENS 시스템을 유도하는 전략을 개발 (Fattahi et al., Nature 2016). ENS는 발달 중인 미주신경(vagal) 및 천골(sacral) 신경능(Neural Crest; NC)에서 파생되므로, 미주신경 NC를 기능적 장 뉴런으로 분화 시켜, HRCR4의 마우스 모델에 이식시키고, 이식된 뉴런들은 장내를 이동하여 HRCR4 마우스 모델의 장 결함을 완화시킴.
천골 신경능을 유도하기 위해서 FGF과 Wnt, 또한 GDF11이 중요하다고 밝혔고, 미주 신경 vs. 천골 신경능에서 각각 파생된 장 뉴런들이 선천적으로 다른 특성을 가졌다고 발표. 미주 신경 vs. 천골 신경능에서 각각 파생된 장 뉴런들이 함께 이식되어야, 심각한 히르쉬스프루병(HSCR) 쥐를 치료한다고 리포트함.
 
D. Roundtable Discussion: Fascination with Gastrulation
“It’s not birth, marriage, or death but gastrulation which is truly the most important time in your life (출생, 결혼 또는 죽음이 아니라 진정으로 인생에서 가장 중요한 시기는 “낭포에서 낭포가 형성되는 시기(gastrulation) 이다.)”– Louis Wolpert.
Gastrulation is the process that leads to all three germ layers (ectoderm, mesoderm, and endoderm). - 낭배형성은 세 가지 배엽(외배엽, 중배엽 및 내배엽)으로 이어지는 과정이다. 하지만, 현재 윤리적 제제로 인해, primitive streak가 형성되는 14일 이후(“14 days rule”)로는 배양하지 않는 법이 있으며, 이는 발달과정을 이해하는데 제한점을 가져다 줌.
지금 현재로는, blastocyst (배반포)를 모방하는 blastoids 모델까지는 구축되어있는 상황.
남아있는 질문들: 1) at what point does growing blastoids in culture into something that has properties of embryos(배양에서 배반포체가 배아의 특성을 갖는 것으로 성장하는 시점은 어느 시점인가?) 2) at what point do we run into ethical issues? (어떤 시점에서 윤리적 문제가 발생하는가?)
2.2. Plenary II: Stem Cell Niches and Roundtable Discussion 2 (06/22/21, 화)

Plenary II session은 ‘stem cell niches’라는 주제로 Hans Clever와 Elaine Fuchs가 이 세션의 장을 맡아 진행되었다. 줄기세포는 적절한 기능을 위해 줄기세포 주변환경(Niches)과 친밀하고 복잡한 상호 작용에 의존한다. 이 세션의 발표는 줄기세포 사이의 세포 구조, 줄기세포와 면역 시스템 간의 상호 작용, 시험관 내 배반포 생성에 필요한 세포 상호 작용, 다양한 질병 상태를 조사하기 위한 다세포 모델링의 장점을 설명한다.
A. Susana Chuva de Sousa Lopes, PhD (Leiden Univ. Medical Center)
Oogenesis spotlighted: how far are we from making (mature) human oocytes?
배아 및 유도된(hESC 및 hiPSC) 인간 만능 줄기세포(hPSC)는 초기 인간 발달을 위한 유용한 시험관 내 모델로 간주된다. 하지만, 이를 이행하기 위해서는 이 모델 세포가 유전적 및 후성유전학적 수준 모두에서 생체 내 분자 사건을 가능한 가깝게 모방하는 것이 중요함. 초기 인간 발달 동안 가장 중요한 후성 유전학적 발견 중 하나는 여성 세포에서 두 개의 X 염색체 중 하나의 X 염색체가 전사적으로 불활성화(XCI) 한다는 것임. XCI는 정상적인 발달에 중요하며, 비정상적인 XCI는 여러 병리와 관련이 있다. 최근 착상 전 개발 과정에서 고처리량 단일 세포 기술을 사용하여 얻은 새로운 데이터는 XCI 메커니즘이 마우스의 XCI와 실질적으로 다르다는 것을 시사하고 있음. 또한 인간 줄기세포가 쥐 줄기세포보다 XCI에서 더 높은 복잡성을 나타내는 것으로 제안함.
인간 만능성 줄기세포는 아래의 세 가지 class 상태가 있음.
  o Class I: Xa Xa
  o Class II: Xa/Xi
    - Primed cell, close to Epiblast state
    - Retain inactive X chromosome
  o Class III: Xa Xe
    - Inactive X는 분화 시 사라짐.
Class II or Class III hPSCs를 2D monolayer로 분화 vs. 3D embryoid body (EB)로 분화를 비교 시 inactive X chromosome (XIST signaling)이 class III hPSC에서도 detect 됨. Primordial germ cell (원시 생식 세포)로 분화하기 위해 따라서 EB 형성이 중요함.
 
B. Ya-Chieh Hsu, PhD (Harvard Med)
Skin deep: stem cells at the nexus of the Niche, physiology, and the external environment
동물의 피부는 손상, 감염 및 탈수로부터 유기체를 보호하는 물리적 장벽 역할을 한다. 피부는 또한 체온을 조절하고, 복잡한 감각 입력을 받음. 이러한 다양한 기능은 다양한 세포 유형(표피, 모낭 및 멜라닌 세포 계통)을 통해 가능함. Hsu 랩은 피부 세포가 어떻게 기능적 기관을 만들고, 이를 유지하기 위해 세포 행동을 조정하는 방법을 탐구 중임.
스트레스(restraint torture or continuous unpredictable stress or induction of nociception 통각)를 통해 쥐에 grey hair를 유도 하였음 (Zhang et al., Nature 2020). 이 모델을 이용해 다양한 세포 특히, 멜라닌 세포 스텔셀과 분화된 멜라닌 세포의 pool이 어떻게 변하는지에 대해 연구함.
  o Immune cell이 없는 immune-suppressed 쥐에 스트레스를 가해도 흰머리가 생겼고 이는 immune cell은 크게 중요하지 않을 의미함.
  o Sympathetic nerve (교감 신경) 없앤 쥐에 스트레스를 가했을 때, 흰머리 생성이 되지 않았음.
  o 교감신경계는 norepinephrine (NE)을 분비하고 NE는 adrenergic receptor에 binding 하기에, 컨트롤 쥐에 NE 투여. 쥐가 흰머리를 생성하기 시작. 더 나아가 adrenergic receptor가 없는 쥐에 스트레스를 줬을 때는 흰머리 형성이 되지 않음. 이 연구는 스트레스에 의한 멜라닌 세포 스텔셀과 교감 신경계의 직접적인 상호작용을 증명함.
소름돋는 현상(goosebumps)과 추운 날씨에 상관관계 연구함.
  o 교감 신경계는 hair follicle 모낭 줄기세포와 시냅스를 형성. 추운 날씨에 교감 신경이 더 활성화되면서 goosebump도 형성하지만, 그로 인해 모낭 줄기세포도 자극함으로 털을 더 자라게 한다고 규명.
 
C. Hans Clevers, MD PhD (Hubrecht institute)
Gut organoids to model infectious disease
대장균은 colibactin을 합성하는 효소 세트를 인코딩하는 병원성 pks를 보유. 이 화합물은 아데닌 잔기의 DNA를 알킬화하고 배양된 세포에서 이중 가닥 파손을 유도하는 것으로 알려짐.
Clevers 박사는 인간의 장 오가노이드를 유전독성 pks+ E. coli를 5개월에 걸쳐 반복된 내강 주입. 이 노출 전후된 클론 오가노이드의 전체 게놈 시퀀싱은 동종 pks-돌연변이 박테리아가 주입된 오가노이드에는 없는 뚜렷한 돌연변이 특징을 나타냄. 동일한 돌연변이 특징이 두 개의 독립적인 코호트 연구(5,876개 인간 암 게놈 분석)를 통해 주로 대장암에서 발견됨. 이 연구는 결장직장암의 뚜렷한 돌연변이 변화를 설명, 결국 기본 돌연변이 과정이, 과거에 colibactin을 생성하는 pks 병원성 섬을 운반하는 박테리아에 노출된 결과로부터 나왔다는 것을 증명함.
현재, 환자들이 먹는 프로바이오틱스에 pks+ e.coli 들어 있는 경우가 있는데, 지금 이 연구는 이를 재평가 하기를 촉구하였음.
코비드 19가 장에 미치는 영향도 연구, 코비드 환자는 GI (gut-intestine) 증상을 보이고 대변에서 코비드 바이러스 RNA가 detect 된다는 리포트가 있음. 장 오가노이드를 이용하여 SARS-CoV-2 이 감염, 바이러스 replication 리포트함.
  o 이 연구를 통해 장은 호흡계만큼 좋은 호스트 환경을 제공한다고 밝힘.
  o ACE2 KO = covid infection 없어짐, MERS-CoV는 변화 없음(잘 infection 됨).
  o DPP4 KO = covid infection 잘됨, MERS-CoV infection 안됨.
 
D. Roundtable: Stem Cell Organoid Models as Empirical Testbeds for Personalized Medicine Development 맞춤형 의약품 개발을 위한 테스트베드로서의 줄기세포 오가노이드 모델
환자 장에서 채취 된 성체 세포를 이용하여, 체외 컬쳐에서 오가노이드 형태로 자라게 함. 이 모델 시스템은 cystic fibrosis (낭포성 섬유증)을 연구하는데, 큰 기여 (i.e. drug screening, biomarkers 발견 등).
2.3. Plenary III: Emerging Technologies (06/23/21, 수)
 
A. Runwanthi Gunawardane, PhD (Allen Institute for Cell Science)
Using the Alllen Cell Collection to visualize and map cell states from pluripotency through differentiation
“Google map” of the cell 구축: 3D imaging으로 세포 구조에 대해 연구하고, 세포 상태에 대해 통합적인 정보 제공.
  o 많은 reporter 시스템 가지고 있음(> 50 lines) (많은 세포 소기관 fluorescent tag).
  o 웹사이트(Allencell.org)에서 이 reporter 시스템 정보를 얻을 수 있음.
Spatio-temporal ‘omics’ 개발: 규모에 맞게 정확하고 정량적이며 강력하고 재현 가능한 이미징을 개발함으로써 정량적 세포 조직화 측정을 추출하는 방법과 도구를 구축 (Rao et al., Nature 2021).
 
B. David Liu, PhD (Harvard Univ)
Base editing of hematopoietic stem cells rescues sickle cell disease in mice
인간 유전 질환에 기여하는 대부분의 유전 돌연변이는 원치 않는 편집 부산물을 과도하게 사용하지 않고 효율적으로 교정하기가 어려움. 현대의 게놈 편집 기술은 개선된 특이성, 표적 범위 및 치료 관련 조직으로의 전달 가능성으로 모든 살아있는 세포 또는 유기체의 게놈에서 표적화된 변화를 가능하게 하기 위해 지속적으로 개선되고 있다. 이를 위해 Liu 그룹은 다양한 뉴클레아제(ZFN, TALEN 및 CRISPR/Cas9)의 DNA 절단 특이성을 종합적으로 평가했으며, 그 결과 향상된 DNA 변형 특이성을 가진 TALEN 및 Cas9 변이체를 엔지니어링.
2016년 Liu 그룹은 이중 가닥 DNA 파손이나 광범위한 삽입 및 결실(indel)을 유도하지 않고, 한 염기쌍을 다른 염기쌍으로 효율적으로 변환하는 게놈 편집 방법인 염기 편집을 개발. Liu 그룹이 개발한 두 가지 종류의 염기 편집자(아데닌 염기 편집자 또는 ABE와 시토신 염기 편집자 또는 CBE)는 인간 병원성 점 돌연변이의 60% 이상을 총괄하는 4가지 전이 돌연변이를 모두 수정 가능.
Base-editing technology를 이용해 humanized sickle cell 유전체를 가진 쥐 모델 치료.
  o RNP-edited 조혈모세포(hematopoietic stem cells)를 체취 해, ex vivo에서 적혈구로 분화했을 때, sickle beta 글로빈의 생산을 3배나 줄일 수 있었음.
  o 인간 sickle cell 조혈 줄기 및 전구 세포(hematopoetic stem and progenitor cells; HSPCs)가 ex vivo에서 base-editing을 거친 후 sickle cell 유전자를 가진 humanized 쥐에 injection 이 되었을 때, edited 된 HSPCs는 쥐 생물체를 다 populate 했고 beta 글로빈 생산을 측정했을 때, beta 글로빈 양을 50% 이상으로 현저하게 줄인다고 발표함.
2.4. Plenary IV: Self-organization of developmental processes (06/24/21, 목)

초기 배아에서 종양 형성, 가스트룰로이드(gastruloids)에서 오가노이드에 이르기까지, 줄기세포 과학자들은 세포가 어떻게 자가 조직화되고, 복잡한 유기체로 발달하는지에 대한 신비를 연구. 주요 과학자들은 수정(fertilization)에서 특정 기관 형성에 이르기까지 줄기세포 역학을 조사하는 최첨단 연구 발표할 것임. 발달과 질병의 맥락에서 이러한 복잡한 과정에 대한 통찰력은 미래를 주도하는 데 도움이 될 전망.
 
A. Anne Grapin-Botton, PhD (Max Planck)
Three dimensional models of pancreas organogenesis: from self-organization to understanding diabetes
인간 태아 췌장, 7주에서 10주 사이 세포의 단일 세포 transcriptome 아틀라스의 설립. 또한, 인간 줄기세포를 이용해 만들어진 췌장 오가노이드 모델도 단일 세포 transcriptome 아틀라스의 설립.
  o 2차원에서 생산된 세포와 3차원에서 태아 조직으로 확장된 세포를 벤치마킹하면 3차원에서 확장된 전구 세포가 전사적으로 태아 췌장에 더 가깝다는 것을 식별.
  o 3-D 모델이 더 성숙한 세포를 형성.
세포-세포 상호작용을 조사하기 위해 수용체-리간드 쌍과 그 다운스트림 효과를 식별하기 위해 개발한 R-패키지인 InterCom을 설명.
GLIS3의 돌연변이는 신생아 당뇨병, 선천성 갑상선 기능 저하증 및 다낭성 신장을 특징으로 하는 신생아 당뇨병 증후군을 유발로 알려져 있음. Glis3-/- hESC로 췌장 세포를 만들어보니 낭포성 구체(cystic sphere)를 형성.
 
B. Nicolas Rivron, PhD (Austria)
Blastoids: modeling blastocyst development and implantation
“blastoids”라고 부르는 결과 구조는 형태학적으로나 전사적으로 E3.5 blastocysts와 유사.
  o 초기 배아는 100개 미만의 세포로 구성된 속이 빈 구체인데, 이 구체는 영양 막 세포의 외부 층인 미래 태반과 내부 배아 세포의 작은 클러스터인 미래 배아로 구성을 이룸.
  o Blastoids는 또한 세 가지 영역의 세포 구조(trophoblast 영양 막, epiblast, primitive endoderm 원시 내배엽)를 다 형성한다고 보임.
Human blastoids derived from naïve vs. primed hPSC states
  o Human blastoids 또한 세 가지 영역이 세포 구조 모두 형성. 단일 세포 transcriptome 아틀라스의 설립.
  o Human blastoids implantation in vitro 모델 형성: blastoids를 matrigel에 심음. 이런 시스템은 자궁 벽으로의 부착 및 침입을 중재하는 메커니즘 연구를 가능케 함.
  o 이 단계에서 초기 배아가 미래의 태반인 영양외배엽의 발달과 이식에 연료를 공급한다는 결론을 도출.
 
C. Yi Arial Zeng
Generation of Mouse Pancreatic Islet Organoids Using resident procr progenitors
성체줄기세포의 조절 메커니즘과 줄기세포와 그 틈새 사이의 상호작용을 연구. 특히 성체줄기세포의 표면 마커로 확립된 Procr (단백질 C 수용체)에 집중.
  o Procr을 Wnt 신호 표적으로 식별하고, Procr-발현 세포는 mammary gland에 있는 줄기세포임을 밝힘.
  o 또한, 더 나아가 Procr이 혈관 내피, 난소 표면 상피 및 췌도에서 줄기세포를 표시함을 증명됨.
성체 췌장에 줄기세포가 있는지에 대한 여부는 굉장히 논쟁의 여지가 많았음.
  o Zeng 랩은 이를 증명 (Wang et al., Cell 2020).
  o Procr+ 세포는 쥐 성체 islet cells 을 형성한다고 증명(lineage tracing), 특히, Procr+ 세포는 모든 beta, alpha, gamma, PP-세포를 다 형성하는 multipotent 이라는 것을 증명.
더 나아가 Procr+를 FACS하여, in vitro 에서 오가노이드 형태로 컬쳐. 이는 beta cell로 분화가 가능.
  o 이 오가노이드를 당뇨 쥐 모델에 이식하였고 이는 효능을 보임.
 
D. Melissa Little, PhD (Murdoch Children’s Research Hospital, Australia)
Rebuilding kidney tissue from PSCs: the challenges of scaling in and out
신장은 질소 폐기물을 제거할 뿐만 아니라, 체액 균형, pH, 혈압, 적혈구 수 및 골밀도 조절을 담당하는 복잡한 기관임. 신장이 기능할 수 있는 능력을 가진 네프론의 형성은 네프론 줄기세포 집단이 사라지면서 출생 시 네프론 형성이 종료됨. 이 줄기세포가 어떻게 조절되어 네프론을 형성하고 왜 사라지는지는 알려져 있지 않음.
Little 랩에서는 인간 줄기세포를 이용해 20일 만에 신장 세포를 만드는 분화 기법을 개발함.
  o 이 세포를 immune-insufficient NSG 쥐 모델에 이식했을 때, ~7일 내에 빠르게 숙주 조직과 혈관 형성하였음 (Takasta et al., Nature Protocol 2016).
  o 하지만, 현재 bottleneck은 인간의 임상 실험을 위해 2 million 개의 네프론을 어떻게 생산하고 이식 할 수 있을까? 에 대한 문제 봉착.
  o Little 랩은 이를 ‘bio-printing으로 해결할 수 있을까?’를 테스트하였고 더 빠르고 consistently 신장 세포를 만들 수 있다고 리포트함.
2.5. Plenary V: Cellular Identity (06/25/21, 금)

무엇이 세포 정체성을 조절하는지에 대한 질문은 줄기세포 과학의 핵심임. 전문가들은 유전자 발현이 만능 줄기 세포에서 어떻게 재조절되는지, 발달 및 리프로그래밍 동안 어떤 변화가 있는지, 세포 공학에서 어떻게 조작될 수 있는지 탐구함. 발표자들은 세포 상태, 유형 및 분화의 메커니즘을 연구하여, 질병 치료를 위한 새로운 목표를 식별할 수 있는 방법에 대한 논의 하였음.
 
A. Amanda Fisher, PhD (Imperial College)
Cellular identity and epigenetic memory
Fisher는 세포 정체성이 어떻게 확립되고, 분화 과정에서 점진적으로 변화한 다음 세포 분열을 통해 어떻게 전달되는지 조사.
FACS-분리된 mitotic chromosome (분열 염색체)에 결합된 채로 남아 있는 단백질 및 RNA와 같은 요인을 체계적으로 식별하고 기능적 관련성을 조사하기 위한 수렴적 접근 방식을 개발(i.e. 3D-SIM or Cryo-EM을 통해 이미징 또는 proteomic analysis).
  o mitotic chromosome에 붙어있는 단백질 protein을 ~6,000개 정도 찾음.
    - 예를 들어, mcm complex.
 
B. John Ngai, PhD (NIH Brain Initiative)
Illuminating neural stem cell trajectories at single cell resolution
척추동물의 후각 시스템에서 1차 감각 뉴런은 다능성 신경 전구 세포의 증식과 분화를 통해 성인의 삶 전체에 걸쳐 지속적으로 재생. 성인 해마체 또한 성체 줄기세포의 끊임 없는 증식과 분화로 기억과 배움에 중요한 역할을 함. 이는 성인 신경 발생 및 신경 줄기세포의 특성에 대한 연구에 특히 적합한 시스템을 제공함.
후각 상피에서 성숙한 세포의 파괴를 초래하는 손상에 이어, 이러한 성체 조직 줄기세포는 증식하고 분화하여, 이 감각 상피의 모든 세포 구성 요소를 재구성. 이러한 손상에 의한 발달 및 재생 동안 후각 신경 발생을 조절하는 유전학적 / 후성 유전학적 변화를 연구함.
scRNAseq을 이용하여 정지된 후각 줄기세포가, 손상 후(injury), 재생 고유의 활성화된 상태로 빠르게 이동하고 장벽 형성 및 증식을 포함하여 손상 유발 복구 요구를 충족하게끔 바뀜.
  o 손상 후 ‘24시간’ 후 후각 줄기세포가 activate 상태로 변함, 그러나 이러한 전환은 전사 인자(transcription factor)의 조정된(coordinated) 조절로 인한 변환은 아님(명백하지 않음).
더 나아가 ‘분화 동안 상향 조절된 유전자는 정지된 후각 줄기 세포에서 발현될 수 있을까?’에 대한 가설을 scATAC-seq을 이용해 테스트.
  o scATAC-seq을 이용해 activated vs. resting vs. hybrid 세포 집단 발견.
  o 염색질 접근성의 게놈 전체 분석 (scATACA-seq)은 단일 세포 RNA seq (scRNA-seq)에 의해 감지되지 않는 잠재 활성화 상태(hybrid)를 발견.
 
C. Ramesh Shivdasani, MD PhD (Harvard Med)
Transcriptional and Epigenetic basis of intestinal crypt cell plasticity
Lgr5 +과 Bmi1 이 성인 장 줄기세포를 나타낸다는 것이 밝혀짐. 하지만, Lgr5+은 빠르고, 지속된 재생을 돕는 그룹으로 밝혀짐. Bmi1+ 세포 그룹은 활발하지 않은 quiescent 한 줄기세포임을 확인함.
Lgr5 GFP-Cre-ER(T2) x R26RtdTomato 쥐와 irradiation injury 을 통해 손상 후 장이 회복하는 단계에 모든 recovery는 Lgr5+ 파생된 줄기세포로부터 되었다는 것을 증명.
하지만 Lgr5+ ISCs (intermediate stem cells)를 방해하면, Bmi1+ 세포, 분비 또는 흡수 전구체, Paneth 세포 전구체로부터 상피 재생을 촉발하여 장내 음와 내에서 높은 수준의 가소성 보임을 입증.
Ascl2Df/Umc; Lgr5Dtr-GFP mice를 사용해 ASCL1/Lgr5 double positive 줄기세포가 장내 가장 기부에 위치하고, stem cell injury 이후에는 Ascl1 이 de-differentiation 역분화하여 손상된 부위를 재생에 기여한다고 증명.
2.6. Plenary VI: Cellular Therapy and Tissue Engineering, Plenary roundtable, and Plenary VII: Break-through in Therapy Development (06/26/21, 토)

줄기세포 치료와 세포 엔지니어링 세션은 이 리포트를 쓴 글쓴이의 박사 과정 지도 교수인 Lorenz Studer와 노벨상 수상자인 Sinya Yamanaka의 지휘 아래 세션이 진행되었음.
 
Plenary VI: Cellular Therapy and Tissue Engineering
 
A. Paul Tesar, PhD (Case Western Reserve Univ)
Mechanisms of oligodendrocyte regeneration
Tesar 랩은 oligodendrocyte (희소돌기아교세포)를 인간 줄기세포로부터 직접 분화(directed differentiation) 시키는 전략을 구축하는데 많은 기여를 함.
Oligodendrocyte 전구체(progenitor)에서 SOX6 전사 인자가 높게 발현하고 후에 희소돌기아교세포 상태에서는 SOX6 발현이 없어진다는 것을 발견.
SOX6 KD (knock-down)이 더 성숙한 Oligodendrocyte 형성에 기여함을 발견.
  o SOX6 chip-seq을 전구체 vs. 아직 미성숙 희소돌기아교세포 상태에서 해 봤을 때, SOX6가 다르게 바인딩 한다는 것을 보임(sox6가 아직 미성숙 희소돌기아교세포 상태에서만 바인딩하는 유전체가 따로 있음).
    - 이런 유전체는 수초, axon guidance, Oligodendrocyte 분화 관련된 유전자들 그룹임.
 
B. Shuibing Chen, PhD (Weill Cornell)
hPSC-derived organoids for COVID19 Disease Modeling and Disease Screening
COVID-19은 주로 lung이 감염되는 질환이지만, Covid에 걸린 환자들은 폐 이외에 여러 장기 기관(brain, intestine, blood vessel, heart, etc.)에서 감염의 형태를 보임.
Chen 랩은 이런 virus와 host 간의 상호 작용, 바이러스의 친화성 등을 연구하기 위해 여러 가지 오가노이드 모델을 구축 (Han et al., Nature 2020).
폐 오가노이드 모델.
  o Covid 19 infected 폐 오가노이드 모델(RNAseq으로 발견)에서 IL17, TNF signal-ing pathway가 up-regulated 되었음.
    - 이는 코비드 환자 autopsy 샘플을 healthy individual 샘플과 비교했을 때 도 비슷하게 IL17, TNF signaling이 up-regulated되었음을 밝힘.
  o 폐 오가노이드 모델이 physiological condition을 잘 반영된다고 claim 함.
  o High content drug screening을 통해 3가지 약물을 발견, 이는 covid19 infection을 낮춘다고 발견.
췌장 오가노이드 모델
  o 환자 autopsy 샘플을 봤을 때, 췌장도 covid19에 감염된다고 리포트.
도파민 신경 세포와 전두엽 신경 세포.
  o 도파민 신경 세포만 covid19에 permissive하고 전두엽(cortical) 신경 세포는 covid19 virus에 감염이 되지 않음을 리포트.
  o 도파민 신경 세포는 covid 19에 감염이 된 후 senescence pathway가 upregulate된다고 발표.
  o Covid 19 환자 뇌 샘플 RNAseq 결과, Senescence pathway와 inflammation, chemokine/cytokine이 높게 발현된다는 것을 보고.
 
C. Wolfram Zimmermann, MD (Univ Med Center Goettingen)
Tissue Engineered Heart Repair: from non-human primates to a first in patient clinical trial
hPSC-로 만들어진 심근세포(cardiomyocytes)로 이식이 되었을 때, 심장은 다시 재근육화될 수 있음이 여러 동물 모델(돼지, 원숭이, 쥐) 시스템에서 증명이 됨.
  o 쥐 모델은 Field 연구실에서 원숭이 모델은 Murry 연구실에서, 돼지 모델은 LeFlamme 연구실에서 입증이 되었음.
Zimmerman랩은 casting mold를 개발하여, 심근세포, 콜라겐, 섬유아세포(fibroblast)를 자라게 해 원숭이 심장에 이식하여 안정성과 효율성을 테스트하는 pre-clinical 연구를 발표.
인간의 좌심실의 무게는 80-120 g으로, 심장벽은 4-10 mm 정도 두꺼움. 40-200 million 개의 심근 세포와 기질 세포(stromal cell)의 혼합된 세포들이 들어 있는 mold는 1-5그램 정도이고, 이를 어떻게 잘 이식 해야 할지가 관건인 연구.
  o 이식 전후 비교 시, 심장벽이 두꺼워졌고, 그 두꺼워진 벽은 6개월 이상으로 유지됨.
  o 부정맥 발견되지 않음.
  o 독성도 없음.
지금 이 mold로 clinical trial I/IIa 시작, open label로 참여하는 환자와 리서치를 진행하는 연구자들은 환자가 어떤 트리트먼트를 받는지에 대해 아는 정도의 임상 실험의 단계.
 
D. Sonja Schrepfer, MD PhD (Sana Biotech)
Protecting transplanted stem cells from immune rejection
줄기세포 이식에서 가장 큰 이슈는 환자 면역 체계가 이식 거절을 한다는 것. 이를 피하기 위해서는 환자 개개인의 조직 세포에서 줄기세포로 reprogram 된 material을 가지고 다양한 세포를 만들어 이식하는 것이 좋지만, 이는 비용적으로 너무 비싼 문제가 있음.
  o Hypoimmune cell products를 생산하는 것이 중요.
HLA I- and HLA II KO cell product는 T cell, B cell activation을 막는데 좋지만, NK 세포에 피할 수 없음 (innate response 활성). HLA (finger print)를 없애더라도, allogenic cell은 NK cell의 공격을 피할 수 없음.
  o HLA를 제거하고 , “CD47”을 additionally 없앴더니 NK cell에 의해 cell들이 죽지 않았고, 이를 hypoimmune cell product 라고 규명.
Hypoimmune iPSC로 만들어진 심장 심근 세포를 쥐에 이식 후 luciferase assay, heart pressure 측정 결과 hypoimmune cell product로 만들어진 심근 세포는 면역 거부반응이 일어 나지 않고 잘 살아남았으며 host와 근육을 잘 형성.
  o IgM, IgG을 측정하면서 hypoimmune cell은 면역반응을 일으키지 않는다고 증명.
 
E. Plenary roundtables: Engineered tissues – challenges to bring to clinic.
장기 기능을 회복하는 재생 의학은 이식 전에 줄기세포에서 조직을 미리 구성함으로써 이점을 얻을 수 있다. 임상 시험 및 그 이상을 위한 복잡한 생물 공학 제품 제조의 문제는 어떻게 해결될까?.
Plenary VII: Break-through in Therapy Development

전문가들은 주요 장애물을 극복하고 줄기세포 치료를 클리닉으로 진행하고 있다.
 
A. Viviane Tabar, MD (MSKCC)
The genesis of a phase 1 clinical trial of human ES-derived midbrain dopamine neuron grafts for Parkinson’s disease
파킨슨 질병은 노인 퇴행성 신경 질환임. 이 질병을 가진 환자는 움직임을 시작하는 데 어려움을 가지고, 끊임없는 손 떨림을 보임. 파킨슨 환자의 뇌의 가장 특징적인 feature는 중뇌 도파민 신경 세포가 현저히 없어진다는 것. 이를 치료하기 위해 현재까지는 도파민을 약물로 투여, 또는 뇌에 전기 자극제를 넣어 임의로 행동에 기여하는 뇌 회로를 자극 시킴. 하지만, 이런 모든 치료법은 많은 결함들이 있고(부작용) “restorative” 치료법이 아니기에 cell therapy가 유망함.
인간 배아 줄기세포를 이용해 도파민 뉴런을 분화하는 기술을 개발, 이 기술을 임상에 적용할 수 있도록 도파민 뉴런 제품을 임상 등급 제조 생산을 하였고, 이 제품을 얼리는 기술 또한 개발함. 이렇게 만들어진 제품을 동물 쥐 모델에 테스트하였고, 연구용 신약 신청을 완료하여, FDA에 2020년 12월에 승인 허가 받음 (Kim et al., Cell Stem Cell 2021; Piao et al., Cell Stem Cell 2021)
 
B. Surgio Pasca, MD (Standford)
From stem cells to brain assembloids: constructing and deconstructing the human nervous system
현재까지는 뇌가 어떻게 발달되고 특정 신경 세포로 분화되는지에 대한 연구가 진행되어 왔음. 최근에는 세포 다양성이 어떻게 형성되는지에 대한 지식도 늘었지만, 아직도 미지의 분야는 만들어진 각각의 세포가 어떻게 다른 지역의 세포들과 synapse를 형성하는지, 다른 뇌 영역으로 축삭이 길을 찾는지, 또한, 회로(circuitry)가 형성 후 그 회로가 어떻게 더 정제(refine)되는 지에 대한 연구가 미흡.
Pasca 랩은 이 분야에 생물학적 질문에 답을 찾기 위해 인간 줄기세포로 각각의 세포를 분화하여 오가노이드 모델을 형성, 그 후 각각의 오가노이드를 접합 시켜 연구함.
  o Ventral forebrain + dorsal forebrain 접합하여 “forebrain assembloids”을 만들어 세포의 이동(migratory)을 관찰 (Miura et al., Nature Biotech 2020)
  o 이 시스템은 timothy syndrome 환자 세포에서 파생된 assembloids 모델에서 세포 이동이 정상적인 형태를 보이지 않는다고 발견, 더 나아가 이는 칼슘이 세포질에 많아 세포 골격 변화에 지장을 줘 migration 결함을 보이는 메커니즘 규명.
  o 이 외에도 brainstem organoid, thalamus organoid, hypothalamus organoid, striatum organoid, midbrain organoid, spinal cord organoid, muscle organoid 등을 각각 만들어 접합.
    - Cortio-spino-muscle assembloids (Andersen et al., Cell 2020) 를 통해 전두엽 프로젝션 신경 세포가 근육 세포로 시냅스를 보인다고 리포트.
오가노이드를 쥐에 이식하는 연구도 발표.
  o 이식된 오가노이드는 호스트와 혈관을 형성이 된다고 보고.
  o Retrograde tracing을 통해 이식된 오가노이드는 thalamus와 시냅스를 형성한다고 보고.
 
C. Shinya Yamanaka, MD (CiRA) – Keynote speaker
Recent progress in iPSC research and application
자가 iPSC를 만들기에는 시간이 너무 많이 걸리고 돈이 많이 듬. 이를 해결 하기 위해 HLA-A and B null homozygous 도너 셀을 만들자고 제안. 이는 일본 인구 70-80%를 커버할 수 있어 매번 환자 specific iPSC를 만들지 않고 HLA-A/B 없는 라인을 이용해 도파민 세포를 만들어 이식을 가능케 함.
이렇게 만들어진 iPSCs로 여러 가지 질병을 치료하고자 함.
  o 도파민 신경세포로 파킨슨 질병 치료; 신경 줄기세포로 척수 손상, 각막 세포, 망막 세포로 퇴행성 시력 질병 등.
HLA-C only iPS 라인 구축(genome editing 을 통해)
  o Class I MHC HLA-B and HLA-A를 없앰, 또한 C2TA activator도 없앰.
    - C2TA activator는 class II MHC를 활성화함.
    - HLA-C가 있어, 만일 iPS가 바이러스에 감염될 시, host 면역 시스템에 detect가능.

 

3. 마무리 및 느낀점

cell-therapy 또는 disease modeling 중심으로 연구하는 나에게 이번 학회는 굉장히 eye-opening 하는 경험이었다. “줄기 세포” 라는 큰 틀 내에 연구 할 수 있는 여러 방면의 분야를 다양하게 접할 수 있어 좋았고, 이 학회를 조금 더 일찍부터 참여하였으면 좋았을 걸 하는 아쉬움이 있었다. Virtual 로 진행되었던 학회였음에도 불구하고 굉장히 다이나믹하고 즐거웠는데, 실제로 연사들을 보고 직접 질문하거나 이야기를 나눌 수 있는 on-site 학회 분위기는 어떠할까 하며 상상해 보았다. 이번 학회를 통해 더 넓은 시야를 가질 수 있었으며 논문을 읽는 폭이 넓어 졌다고 확신한다. 또한 나의 연구에도 적용할 수 있는 방법론이나 새로운 가설들을 세울 수 있는 아이디어를 얻는 좋은 기회가 되었다. 이 학회는 앞으로 매년 참여할 계획을 가지고 있으며 줄기 세포 연구에 관심이 있는 과학자라면 반드시 참여할 것을 추천 드린다. 한시 빨리 코비드-19에 여파에 벗어나 on-site 학회에 참여하고 포스터나 구두 발표를 할 수 있는 기회가 왔으면 좋겠다.

4. 참고 문헌

==>첨부파일(PDF) 참조

 

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구소연(2021). ISSCR 2021 학회 참가기. BRIC View 2021-C07. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3852 (Aug 24, 2021)
* 자료열람안내 본 내용은 BRIC에서 추가적인 검증과정을 거친 정보가 아님을 밝힙니다. 내용 중 잘못된 사실 전달 또는 오역 등이 있을 시 BRIC으로 연락(view@ibric.org) 바랍니다.
 
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