TECH TREND - 줄기세포 분비 단백질 제제를 이용한 치료제 개발기술
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들어가며
바이오테크는 산업적으로 유용한 제품 또는 공정을 제조하거나 개선하기 위해 생체의 생체유래물질 또는 생물학적 시스템을 활용하는 기술을 총칭하며(미, OTA, 1984), 이러한 기술을 이용하여 개발된 의약품을 바이오의약품이라 할 수 있다.
이러한 바이오의약품에는 유전재재조합 기술을 이용하여 필요한 단백질을 대량으로 생산하는 재조합단백질(사이토카인, 성장인자, 호르몬, 치료용 항체 등) 및 치료 효과를 갖는 세포를 이용해 암을 치료하거나 손상된 조직을 재생하는 세포치료제 그리고 유전자를 인체에 주입하여 세포내에서 새로운 단백질 발현을 통해 질병을 치료하는 유전자치료제 등이 있으며, 바이오의약품을 세대별로 구분하면 그림 1 과 같다.
전체 의약품시장 중 바이오의약품 비중은 지속적으로 증가하고 있으며, 2009년 기준 시장규모는 1,170억 달러로 2016년까지 연평균 7.1%로 증가하여 시장비중은 약 23.0%로 확대될 것으로 예상된다(Evaluate Pharma, ‘World Preview 2016’).
이중 현재 가장 활발히 산업화되고 있는 분야는 재조합단백질 의약품으로 현재 바이오의 약품 시장의 90% 이상을 차지하고 있는데, 특히 EPO, G-CSF 등 1세대 바이오의약품의 미국과 일본 특허만료로 인하여 2012년 이후 1세대 바이오시밀러 시장은 대폭 확대되어 연평균 25.4% 증가할 것으로 예상된다.
또한 2세대 바이오시밀러 시장 역시 2012년부터 2018년까지 대부분의 블록버스터 2세대 바이오의약품의 특허만료와 맞물려 2012년부터 연평균 64.0%로 급성장할 것으로 기대되고 있다.
그러나 바이오시밀러 시장에 진출이 가능한 업체는 극히 제한적인데, 그 이유는 대규모 설비투자(기간: Validation 포함 4~6년, 자금: 3.8~5.2억 달러) 및 바이오시밀러 생산을 위한 높은 기술력 그리고 생물학적 동등성 증명의 어려움 및 오리지널 의약품과의 비교임상 등 화학합성 제네릭의 약품보다 높은 진입장벽이 존재하기 때문이다.
이에 바이오시밀러 시장과 함께 차세대 바이오시장을 형성할 것으로 기대되는 세포치료제 분야 중 줄기세포 치료제에 대한 관심 및 연구가 국내뿐 아니라 전세계적으로도 활발히 이루어지고 있다.
줄기세포는 개체를 구성하는 세포나 조직의 근간이 되는 세포로, 반복적인 세포분열로 자가 재생산(Self-Renewal)할 수 있고, 환경에 따라 특정한 기능을 지닌 세포로 분화(Differentiation)할 수 있는 능력을 함께 갖춘 세포를 의미한다.
줄기세포는 발생시기에 따라 크게 배아줄기세포와 성체줄기세포로 구분되며, 최근에는 2012년 노벨생리학상을 수상한 기술로 분화가 완료된 체세포를 이용하여 배아줄기세포와 같은 능력을 갖는 유도만능줄기세포(iPS)의 확립이 이루어지기도 하였다.
그러나 아직까지는 윤리적 문제로 인하여 많은 제약이 있는 배아줄기세포나 종양형성 등 기술적 난제를 극복해야 하는 유도만능줄기세포에 비해 성체줄기세포, 그 중에서도 중간엽 줄기세포(Mesenchymal Stem Cells)를 이용한 치료제 개발이 주류를 이루고 있다.
줄기세포를 이용한 새로운 패러다임의 바이오의약품 개발
(줄기)세포치료제의 개발에 있어 최근 화두는 투입된 세포치료제의 적절한 생존율에 있는데, 이에 관한 몇몇 연구결과를 보면 ‘줄기세포는 도울 뿐 주도하는 것은 이들로부터 유리되는 분비인자(Secretome)’라는 사실이 점차 인식되고 있다.
또한 투입된 세포는 생존율이 몇 퍼센트에 지나지 않는다.
현재까지 밝혀진 여러 연구결과를 토대로 세포치료제 및 줄기세포 유래 분비단백질의 임상적용시의 특징을 정리하면 아래와 같다.
일례로, 2009년 Blurton-Jones 등에 의해 보고된 내용에 따르면 쥐의 신경줄기세포(Neural Stem Cell)에서 분비된 BDNF(Brain-Derived Neurotrophic Factor)에 의해 시넵스 밀도가 증가되었음을 확인할 수 있었는데, 이는 신경줄기세포에서 분비된 단백질에 의한 치료효과를 보여주는 결과라고 할 수 있다.
다만 신경줄기세포의 경우 사산된 태아의 뇌조직으로부터 세포를 얻어야 하기에 치료제로 사용하기에는 윤리적인 문제점을 극복해야하는 한계가 있다.
또한 국내에서도 2012년 4월 고려대학교 생명과학대학 김종훈 교수 연구팀은 줄기세포 이식없이 줄기세포가 분비하는 단백질을 투여해도 똑같이 질병을 치료할 수 있다는 사실을 세계최초로 규명했다.
인간 배아줄기세포를 간세포로 분화시킨 후 간질환에 걸린 실험용 마우스에게 이식한 결과 이식된 세포가 죽은 세포의 기능을 대신하는 현상이 있음을 확인하였으며, 또한 이식된 간 세포에서 조직 재생을 유도하는 생리활성 단백질이 분비돼 재생기능이 촉진된다는 사실도 증명했다.
이로부터 줄기세포를 이식하지 않고 줄기 세포가 분비하는 단백질만 체내에 투여해도 각종 질병을 치료할 수 있다는 사실을 규명했다고 밝혔다.
특히, 2014년 4월 삼성서울병원 줄기세포재생의약연구센터에서 열린 제1회 국제심포지엄에서는 줄기세포, 특히 중간엽줄기세포를 이용한 임상적 적용에 대한 토의와 다양한 치료기술개발에 관한 연구결과를 공유하는 자리로 마련되었는데, 이 분야의 세계적인 권위자인 아놀드 카플란 교수 및 이량화 교수가 발표한 내용은 여러 조직에서 유래한 중간엽줄기세포의 주변분비작용(Paracrine Effect)을 통한 치료효과를 규명하고 이 작용에 관여하는 단백질을 탐구하여 새로운 단백질 신약을 개발하는 패러다임을 소개하였다는 점에서 줄기세포에 대한 최근의 연구트렌드가 점차 바뀌고 있음을 알 수 있다.
중간엽줄기세포는 인체내 다양한 조직, 이를테면 제대혈, 골수, 지방, 신경, 혈액 등에서 얻을 수 있으며, 현재 이러한 중간엽줄기세포 유래 단백질을 이용한 다양한 재생의학적 연구가 진행되면서 우선적으로 안티에이징산업 분야를 통해 산업화가 진행되는 추세이다.
그러나 아직까지는 줄기세포의 단순배양을 통해 얻어지는 배양배지를 이용한 코스메틱 원료 수준에 머무르고 있으며 이러한 수준을 넘어 본격적인 치료제 개발까지는 해결해야 할 과제들이 있다.
특히 산업적인 측면에서 고려한다면 세포 자체를 사용하는 세포치료제와는 달리 줄기세포에서 분비되는 단백질을 이용한 소재 개발 및 이러한 소재를 이용한 제품 개발까지 일련의 개발 및 생산과정이 필수적이며, 이러한 과정에서 경제성 및 안전성과 효용성을 확보할 수 있어야 산업적인 측면에서 의미가 있기에, 다양한 기원의 중간엽줄 기세포에 대한 연구개발이 이루어지고 있다.
특히 이중에서도 최근에 가장 많은 주목을 받고 있는 기원은 양수내에 존재하는 줄기세포(Amniotic Fluid Derived Mesenchymal Stem Cell)이다.
2006년 12월 처음으로 양수내에 배아줄기세포와 유사한 성격의 줄기세포가 존재하고 있음이 발견된 이후 다양한 연구결과를 통해 세포치료제 및 단백질 제제를 생산하기 위한 일종의 ‘바이오 팩토리’(Bio Factory)로서의 우수성이 밝혀지고 있다.
표 1 에서 보는 바와 같이, 양수유래 줄기세포는 배아줄기세포 및 성체줄기세포에 특이적으로 발현하는 마커들이 모두 발현되었으며, 미분화된 양수유래 줄기세포는 어떠한 Feeder 없이도 쉽게 배양이 가능하며 Doubling Time도 36시간으로 다른 성체줄기세포에 비해 빠르다.
또한 일반적으로 세포분열이 진행되면서 길이가 점점 짧아지는 텔로미어(Telomere)가 줄어들지 않은 채로 정상 핵형(Karyotype)을 유지하면서 250회 이상의 계대배양이 가능할 정도로 증식력이 우수하며, 특정조건에서 지방, 골, 근육, 혈관, 신경 및 간 등 내배엽, 외배엽 및 중배엽 조직으로의 분화능력 또한 우수하다.
또한 종양을 형성하지 않기 때문에 세포치료 목적으로 다양한 질병에 대하여 많은 연구가 진행중이다(Nat Biotechnol. Vol. 25, No. 1, 2007).
해결해야 할 과제
① 생체내와 유사한 세포배양 시스템 개발
줄기세포는 다양한 세포로의 분화기능을 가지고 있어서 손상된 조직에서 필요한 세포로의 분화를 유도하여 치료제로 사용할 수 있는 장점으로 인하여 세포치료제 분야에서 많은 연구개발이 이루어지고 있지만, 현재 개발수준에서는 체내이식 후 생존율이 높지않아 실제 임상적용시 광범위하고 안정적으로 성공한 사례가 드문 현실이다.
특히 지방, 골수 또는 제대혈 유래의 줄기세포는 혈관세포로 분화하여 혈관을 재생시킬 수 있는 것으로 밝혀졌으나, 일반적인 2차원 배양으로 확보되어 허혈 부위에 이식된 줄기세포의 대부분은 사멸되어 세포치료제의 치료효능이 크지 않은 문제점이 있다.
이에 대한 대안으로, 상기 줄기세포의 배양배지(Conditioned Media)를 치료목적으로 응용하기 위한 연구가 주목을 받았는데, 예를 들어 2차원 배양접시에서 혈관내피전구세포를 배양한 후 얻은 배양배지를 Rat의 허혈 부위에 주사하여 허혈을 치료하거나(Stefano Di Santo et al., PLos One, Vol. 4, Issue 5, 2009), 2차원 배양접시에서 인간 지방유래 줄기세포를 배양한 후 얻은 배양배지를 피부 창상부위에 주사하여 치료(Wound Repair And Regeneration, Vol. 15, No. 4, 2007) 등이 있다
그러나 종래의 일반적인 세포배양법인 2차원 배양의 경우 인체내의 조건과 상이하므로 배지로 분비되는 활성성분들(성장인자 등)의 농도가 낮아 임상적용시 환부에 많은 부피의 배양배지를 사용해야 하는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결할 수 있는 아이디어를 제공할 수 있는 흥미로운 연구결과를 소개하고자 한다.
최근에 발표된 연구논문(Microenvironmental reprogramming by threedimensional culture enables dermal papilla cells to induce de novo human hair-follicle growth, PNAS OCtober 21, 2013)에 따르면, 동물실험 결과와는 달리 실험실에서 인간의 진피유두세포(Dermal Papilla Cells; 모낭 주위를 둘러싼 피부세포)를 배양접시로 옮기는 순간 모낭 형성유도능력을 상실하게 되어 지난 40년 동안 임상적용이 불가능하였으나, 실험실에서 배양 중인 마우스의 진피유두가 저절로 큰 덩어리(Clumps)를 형성한다는 점에 주목, 현적배양(Hanging-Drop Culture), 일명 3D배양 방식을 통해 진피유두 세포를 평평한 배양접시 위에 올리는 대신, 액체와 혼합하여 마치 천장에 응결된 수증기 방울처럼 플라스틱 덮개에 매달아서, 실제 인체내의 세포들이 모든 방향에서 서로 접촉할 수 있는 환경을 제공한 결과, 배양접시내의 세포들과는 다르게 거동, 점차 분열하여 새로운 세포를 만들어 구상체(Spheroids, 약 3천개의 세포로 이루어진 공 모양의 구조체)가 되었으며, 이를 털이 없는 인간의 피부세포 두 겹을 쥐의 등에 이식하고 그 사이에 구상체를 이식한 결과, 6주 후 7명 중 5명의 구상체가 주변의 피부를 자극하여 모낭을 형성하였으며 그 중 두명의 경우 모낭으로부터 모발이 자라나기 시작하는 것을 확인할 수 있었다.
또한 후속연구를 통해 평평한 배양접시에서 자란 세포는 약 4,000개의 유전자 발현이 교란되어 있는 반면, 3D배양으로 생성된 세포는 그 중 22%가 정상으로 발현되어 있었음을 확인하였다.
이 연구결과에 대해 스탠포드 대학교에서 상피(Epithelium)를 연구하는 앤터니 오로 박사의 논평은 매우 흥미로운 아이디어를 제공한다.
“세포가 덩어리를 형성하는 것이 중요한 것은 당연하다. 세포가 갖고 있는 아름다운 3D 구조를 평평하게 만들고나서 세포가 고유의 특성을 지니고 있을 것이라 생각하는 것은 넌센스이다.”
이러한 결과로부터 여러 목적(타 세포로의 분화 또는 세포 배양을 통한 분비단백질 획득 등)을 달성하기 위한 세포배양 방식은 세포 고유의 특성에 따라 접근 및 개발되어야 한다는 점을 확인할 수 있었으며, 이러한 아이디어를 구체화할 수 있는 방법으로 최근에 각광받고 있는 3D프린팅 기술을 활용한 3D 스캐폴드와의 크로스오버는 매우 흥미로운 결과를 도출할 수 있는 일례라 할 수 있다.
생명공학의 3대 중요 기본요소의 하나로 세포, 신호전달물질과 함께 중요 구성 요소로 정의되는 세포배양용 3D 스캐폴드(Scaffold)는 구조내외에 파종된 세포의 부착, 분화 및 조직 주변으로부터 이동되는 세포의 증식과 분화에 적합한 환경을 제공하는 역할을 한다.
이 스캐폴드 제작기술은 일부 선진국에서는 상당수준에 도달해 있으며, 검증 및 도입이 된 배양기술로서 다양한 종류의 세포를 배양하는 데 활용되고 있으며, 현재 국내에서도 연구가 활발히 이루어지고 있다.
그러나 현재 국내에서 연구되고 있는 스캐폴드는 외국에서 수입된 고가의 재료/시편을 사용하고 있으며, 더욱이 국외의 비싼 장비를 사용하기 때문에 양산화가 어렵고, 생산되어도 일부 분야에서만 국한되어 사용될 가능성이 높은 실정이다.
또한 기존 사용되던 Scaffold 제작방식에는 염침출법, 상분리법 등이 있으나 공극이 균일하지 못하고, 공극간의 연결성도 좋지못해 세포배양에 한계를 드러내고 있다.
대부분의 세포는 스캐폴드에 부착이 되어야 생존할 수 있으며, 현재까지 주로 폴리스티렌(Polystyrene) 재질의 세포배양접시에 세포를 부착시켜 배양하는 방식이 표준방식으로 채택되어 활용되고 있으나, 이러한 배양방식에서는 세포가 2차원적으로 배양되며 체내와 다른 환경으로 인해 세포가 갖는 원래의 특성을 잃어버리는 경향이 있다.
그러나 최근 급속도로 기술발전이 이루어지고 있는 3D프린팅 기술을 적용한다면 컴퓨터를 기반으로 한 3D 바이오 프린터를 이용하여 정확하고 정밀하게 세포특성에 맞는 생체내와 유사한 세포배양 환경을 다양한 구조 및 크기로 개발 및 제공함으로써 중간엽 줄기세포에 최적화된 배양시스템을 구축하여 다양의 단백질 제제를 생산할 수 있을 것으로 기대된다.
② 복합단백질 분자군의 치료제로서의 적용 및 허가과정에 대한 이해
줄기세포를 기반으로 하는 치료제를 개발하기 위해서는 현재 줄기세포로부터 유효히 작동할 수 있는 유효 분자군을 도출하는 필수과정이 필요하다.
이 고려에 있어 유효분자는 손상기능의 복구에 효과적으로 작동하는 단일분자이거나 또는 다수분자로 이루어지는 복합군이어야 한다.
줄기세포 배양을 통하여 세포생리기능성 단백질군은 줄기세포의 배양배지(Conditioned Media)로부터 얻을수 있는데, 이 배양과정을 통하여 만들어지는 배양배지는 조직재생적 수단으로 각광받을 수 있는 태생적 조성을 가지고 있다.
중간엽 줄기세포의 배양으로부터 손상된 조직의 재생 및 복구에 관련할 수 있는 단백질 분자군을 도출할 수 있다는 사실은 여러 연구결과를 통해 밝혀진 사실이다.
일례로 뇌질환을 치료하기 위한 단백질 분자군을 중간엽 줄기세포로부터 얻기 위해서는 피부 또는 신경조직 등 발생학적 외배엽기원 세포의 재생을 유도하기 위해 뉴런간 Cell Clustering을 위한 안내분자 및 손상세포군을 대체할 수 있는 줄기세포의 성장과 이주를 촉진하게 하는 인자(군)이 요구된다.
대뇌조직 전반에 걸쳐 폭넓게 발현되는 OBCAM(Opioid-Binding CAM), 소뇌에 특이적으로 발현되는 CEPU(Cereberal Purkinje Cell Specific Antigen), LAMP(Limbic System Associated Membrane Protein) 그리고 Neurite Growth Promoting Factor인 PEDF 등은 뉴런의 기능유지에 크게 관여하는 당단백질로 알려져 있는 반면, 아직 줄기세포로부터 유래되어 손상된 뇌조직 재생에 작동할 것으로 믿어지는 분자군은 잘 알려져 있지 않다.
따라서 중간엽 줄기세포 유래 단백질 분자(군)를 이용하여 뇌질환 치료제로 적용하기 위해서는 뇌질환재생 유효성 단백질 후보인자(군)을 선별하여 획득하는 과정이 핵심이 된다.
각 후보인자군은 개별단백질 형태로 접근하는 것보다 복합군으로 진행하여 분자칵테일을 기반으로 하는 시너지를 기대하는 것이 보다 바람직하며, 줄기세포로부터 유래되는 뉴런 재생관련 인자를 포함하는 분자그룹핑 연구가 선결되어야 한다.
이에는 독립적인 줄기세포 배양배지를 개발하는 방향 또는 단일 배양배지를 분자특성에 따라 수개로 나누는 접근방법이 있을 수 있다.
일단 분자그룹핑과 이의 전임상적 유효성과 기작이 발견되면 뇌질환 치료제로서 단백질제 시제품 그리고 이의 임상시험 신청(IND)까지 일련의 과정을 통해 뇌질환 치료제로 개발될 수 있는데, 현재로서는 단일성분의 단백질 제제에 대한 허가기준은 있으나 복합단백질 분자군에 대해서는 적용할만한 가이드라인이 없는 실정이다.
따라서 중간엽 줄기세포 유래 복합단백질 제제를 이용한 치료제 개발 및 허가에 대한 국내 및 국제표준 제정 또한 관련부처와의 긴밀한 논의를 통해 시급히 해결해야 하는 과제라 할 수 있다.