생화학분자생물학회

환자유도만능줄기세포 유래 심근세포를 이용한 심근병증 기초연구와 정밀의료

이승현

연세대학교 의과대학

tiger815@yuhs.ac

1. 서론

2015년 미국 오바마 전 대통령이 백악관의 연두교서 발표에서 정밀 의학 (precision medicine) 이니셔티브에 착수할 것임을 공표한 이래로 많은 인력과 자본이 정밀의료 시장에 투입되었다. 정밀의료의 시작은 암 분야에서 가장 먼저 시작되었으나, 현재는 비 암 분야에도 정밀의료 개념이 폭넓게 도입되고 있다. 

그림1. 심장질환 정밀의료의 필수요소

심혈관질환에서 추진되는 정밀의료는 일반적으로 Clinical genome sequencing, CRISPR Genome editing, Targeted therapeutics, Genetic risk scores 그리고 induced pluripotent stem cell의 요소로 구성된다. 이와 같이, 환자유도만능줄기세포를 이용한 연구는 심혈관질환 정밀의료 실현에 필수 요소임을 알 수 있다 (그림 1). 

심근병증은 심장을 구성하는 심장 근육 세포에 이상이 발생하여 심장의 기능이 저하되는 심장질환을 의미한다. 이 질환에는 다양한 유전적 요소들이 약 30~70% 정도 발병에 기여할 것으로 생각되고 있으나, 현재 치료약이 존재하지 않는 대표적인 희귀난치성 질환으로 진단 및 치료에 정밀의료적용이 필요한 질환이다. 

최근 여러 선진국에서 아니라 우리나라에서도 이러한 희귀 난치 질환에서 유도만능줄기세포를 이용한 정밀의료, 재생의료 시장을 선점하기 위한 많은 자본과 인력이 투입되고 있는 가운데, 여기에서는 심근병증 질환에서 환자유도만능줄기세포의 정밀의료적 역할에 대해 기술하겠다. 

2. 본론

(1) 심근병증의 임상적 의미 및 유형

심부전은 심장의 이완과 수축 기능에서 구조적 또는 기능적 이상이 발생하여 신체 조직에 필요한 혈액 순환을 충족시키지 못할 경우 발생하는 심장질환을 말한다. 심부전의 유병률은 전 세계적으로 빠르게 증가하고 있는데, 대한심부전학회(The Korean Society of Heart Failure; KSHF)의 발표에 따르면, 2018년 국내 심부전 유병률은 2.24%로 추정되고 있으며 지속적으로 증가할 것으로 예측되고 있다. 심근병증은 이러한 심부전을 일으키는 대표 질환 중 하나로, 크게 네 가지 유형으로 나눌 수 있다. 심장이 확장되고 심장 수축/이완 기능이 떨어지는 확장성 심근병증 (dilated cardiomyopathy, DCMP), 심근벽이 두꺼워지며 이완/수축 기능이 떨어지는 비후성 심근병증 (hypertrophic cardiomyopathy, HCMP), 심근벽이 두꺼워지지 않지만 탄력이 떨어지는 제한성 심근병증 (restrictive cardiomyopathy, RCMP), 심근세포가 지방세포로 변형되며 섬유화되어 부정맥을 일으키기는 부정맥성 심근병증 (arrhythmogenic cardiomyopathy, ARVC/ALVC)이  심근병증의 세부 타입이다 (그림 2). 이러한 심근병증은 심부전 약물 치료에 반응이 없어 숨찬 증상이 지속될 경우, 심장이식 외에는 다른 치료법이 없는 상황으로 악화될 수 있어, 전 세계적으로 심장이식의 가장 주요한 원인 중의 하나로 꼽힌다. 

2019년에 발표된 (재)한국장기이식연구단(Korean Organ Transplant Registry; KOTRY)의 연구 결과에 따르면, 우리나라에서는 심장이식의 가장 흔한 원인 (65%)에 해당하여, 심근병증은 현대 심장학에서 해결 못하는 최대 난제 중의 하나라 할 수 있다. 또한 심실세동/심실빈맥으로 인한 심장 급사 (돌연사) 가능성이 높은 질환으로, 이를 치료하기 위해 고가 (개당 4-5천만원)의 삽입형 제세동기 삽입이 권고되고 있으며, 청장년층 사망의 주요한 원인 중 하나이기 때문에, 북미, 서유럽, 북유럽 등 선진국에서도 이러한 심장 급사로 인한 사회적 손실을 막기 위한 의료사회적인 노력이 지속되고 있다.

(2) 심근병증과 정밀의료 기반 질병기전 연구의 필요성

심근병증이 진행을 하여 심장 박출률이 감소하게 되거나 또는 감소하는 것을 막기 위해 현재 표준요법으로 사용되는 약제는 레닌-안지오텐신계 차단제 (안지오텐신 전환효소 억제제, 안지오텐신 수용체 길항제), 베타차단제, 알도스테론 차단제의 3제 요법이다. 

최근, 이러한 약물 치료에 추가적으로 SGLT2 inhibitor, soluble guanylate cyclase inhibitor (vericiguat)가 심부전 환자 예후 개선 효과를 보여주었으나, 이러한 새로운 약제를 사용함에도 불구하고 심부전 환자는 1년에 6-8%의 사망률, 12-16%의 심부전 악화로 인한 재입원을 경험하고 있어, 이러한 상황을 개선하기 위한 추가적인 심부전 치료제의 개발이 필요함을 알 수 있다. 또한, 이 약물 치료법은 심부전 치료에 공통적으로 작용하는 약으로 심근병증의 발생 기전에 근거한 표준 심근병증 치료제는 현재 없다. 

이렇게 새로운 심근병증 치료 약제의 개발이 더딘 것은 심근병증 발생 메커니즘에 대한 불완전한 이해에 기인한 것이 크며 발병 기전과 그 원인에 대한 연구가 필요하다. 최근 이루어지는 환자 유전자 분석에 근거한 정밀의료 적용은 폐암, 유방암과 같은 항암 치료에서 뛰어난 효과를 얻고 있으며, 이를 토대로 신약 개발이 이루어지고 있다. 따라서 암보다 생존율이 더 좋지 않은 난치성 심근병증에서 이러한 정밀의료 적용은 반드시 필요하다. 

(3) 줄기세포 정의 및 심근세포로의 분화

줄기세포 (Stem cell)란 한 개의 세포가 여러 종류의 다른 세포를 생산해 낼 수 있는 다중 분화능을 가진 미분화 세포를 말하며, 분화능력 (Differentiation), 자가복제능력 (Self-renewal), 호밍효과 (Homing effect) 등의 고유한 특성을 가진다. 즉, 줄기세포는 이론적으로 모든 종류의 기능 세포로 분화가 가능하며 (Differentiation), 스스로 자기와 동일한 형태 및 능력을 지닌 세포로 복제할 수 있으며 (Self-renewal), 손상된 부위를 스스로 찾아갈 수 있다 (Homing effect). 줄기세포는 분화 영역에 따라 신체 내 모든 세포로 분화할 능력을 가진 전분화능 줄기세포 (pluripotent stem cell)와 특정 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력을 가진 조직-특이적 줄기세포 (tissue-specific stem cell)로 나눌 수 있다. 이 중, 전분화능 줄기세포는 내, 중, 외배엽으로 분화될 수 있으며, 이를 통해 심장을 포함한 다양한 조직을 구성하는 세포로 분화를 유도할 수 있다. 

전분화능줄기세포는 수정란의 배아 또는 배반포 (blastocyst)에서 얻을 수 있는 배아줄기세포 (embryonic stem cell)와 체세포를 재프로그래밍 (Reprogramming) 과정을 통하여 배아줄기세포와 동일한 상태의 전분화능 줄기세포로 만드는 유도분화줄기세포 (induced pluripotent stem cell; iPSC) 로 구분된다. 후자의 유도분화줄기세포 제작기술은 일본의 의학자 야마나카 신야(Shinya Yamanaka)에 의해 확립되어 현재의 정밀의료 및 재생의료에 적용할 수 있게 되었다.

심근세포는 중배엽에서 유래하는 세포로써 다른 기관의 세포보다 비교적 일찍 전분화능 줄기세포에서 분화하는 프로토콜이 완성되었다. 초기 분화 프로토콜에서는 배상체 (Embryonic body)를 형성시킨 후 분화하였으나, 현재는 2D monolayer 세포배양 시스템에서 Wnt 신호전달체계를 조절하는 방법이 대표적으로 사용되고 있다. 심근세포 분화 효율은 약 90~95프로 정도 보고되고 있어 심근세포 연구자들이 비교적 쉽게 연구에 적용할 수 있게 되었다. 하지만, 이렇게 분화된 줄기세포 유래 심근세포는 성인 심장의 심근세포와 몇 가지 차이점을 보이는데 그중 가장 큰 요소는 바로 성숙도 (Maturity)이다. 미성숙한 심근세포에서 보이는 미토콘드리아 발달의 저하, Sarcomere 구조 발달의 저하, 심근세포대사의 차이 등은 줄기세포 유래 심근세포에서 극복해야 할 가장 큰 요소들이며 성숙도를 올리기 위한 다양한 연구가 전세계적으로 많이 이루어지고 있다. 

(4) 심근병증 연구에서 줄기세포 유래 사람심근세포의 장점

질병에 대한 치료제를 개발하기 위해서는 질병 메커니즘에 대한 이해가 필수적이며, 질병 메커니즘을 밝히기 위해서는 많은 연구자들의 노력과 함께 적절하게 연구할 수 있는 도구 또한 필수적이다. 예를 들어 암 진단 및 치료의 지속적인 발전 또한 배경에는 이처럼 연구자들의 노력과 더불어 암을 쉽게 연구할 수 있는 도구인 각종 암 세포주의 확립이 큰 역할을 하였다. 이러한 세포주들은 암의 특성을 잘 반영하면서도 실험실에서 적은 비용으로 다양한 분자세포생물학적 실험을 시행할 수 있는 근간이 되었다. 

하지만 심근병증 연구는 암 연구와 다르게 적절한 연구도구가 부족하다는 큰 문제가 있다. 일반적으로 연구자가 성인 사람의 심근세포를 연구에 사용하고자 할 경우, 수술 또는 검사를 통하여 심근세포를 얻어야 하는데 심장에 접근하기 위해서는 개흉술을 시행해야 되어 일반적으로 이것을 기대하기는 거의 불가능하다. 심부전 질환 말기 환자가 심장이식수술 시 나오는 심근 조직이 그나마 접근이 가능한 통로이나, 이 마저도 매우 제한적으로 이루어지기 때문에 이식심장에서 분리한 심근세포를 이용한 다양한 실험은 일반적으로 시행하기 어렵다. 또한, 실험에 사용할 정상사람심장세포 (Normal human cardiomyocyte)를 정상 사람에게서 얻을 수 있는 길은 사실상 전무(全無) 하다는 단점이 있다. 만약 운이 좋게 이러한 세포를 얻어도 심근세포는 출생 이후 세포주기 (Cell cycle)가 멈춘 상태로 더 이상 분열하지 않기 때문에 시험관 내(in vitro)에서 계대배양이 불가능하기 때문에 사용에 제한점이 많은 실정이다.

현재, 국내 외 심근 연구에 사용 중인 세포주로는 HL-1 (Mouse atrial cardiomyocyte cell line), H9C2 (Rat myoblast cell line), AC16 (Human ventricular cardiomyocyte cell line)이 존재하나, HL-1 세포주를 제외하고는 심근세포의 기능적인 특징을 나타내는 칼슘 흐름(calcium transient) 및 심근박동(beating)을 확인할 수 없어, 오직 제한적인 세포신호전달 경로연구에서만 쓰이고 있다. HL-1 세포주 또한 마우스 유래로 매우 미미한 수축력 및 낮은 필드 전위(field potential) 활성도를 보여 심근세포의 기능적인 측정이 어렵다는 단점이 존재한다. 

이렇듯 심근병증 연구에서 적절한 연구도구를 확보하기 어려운 제한점으로 심혈관 질환 연구나 신약 발굴 및 독성 검사를 위해서는 마우스 및 랫드 등 실험 동물들을 주로 이용하여 왔다. 그러나 사람과 마우스의 심장에 존재하는 이온 채널의 종간 차이 뿐만 아니라 심장세포의 모양, 분당 박동 수 등의 기능적 차이가 존재하기 때문에 사람 심근 관련 연구하는 데에 한계점들이 보고 되고 있다. 또한, 마우스 모델은 특정 유전자 조작이나 발현양 조절 등 분자생물학적인 실험방법을 효과적으로 이용가능한 세포주와 달리 비용, 시간 및 노력이 많이 소모된다는 단점이 존재한다. 따라서, 기존의 분자생물학적 기법을 활용한 연구를 사람의 심근세포에서 제한 없이 가능하게 되고, 세포의 특성과 종 간의 차이에 따라 왜곡된(bias) 결과가 아닌 실제 사람 심근세포에서 일어나는 생명현상과 분자생물학적 변화를 확인할 수 있게 된다면 심장질환과 관련하여 다양한 질병에 대한 심도 있는 연구가 가능하다.

또한, 환자 세포 리프로그래밍을 통한 연구 전략은 한 종류의 iPSC 에서 질병 모델을 형성하는 전략에 비해 뚜렷한 장점을 갖고 있다. 환자로부터 유도된 iPSC는 유전적으로 복잡한 질환을 모델링 할 때 정상 PSC에서의 유전체 편집보다 더 유용하게 사용되며, 여러 환자의 iPSC 유도는 다양한 유전적 배경에서 유사한 돌연변이를 분석할 수 있다. 마지막으로, 환자 개개인의 iPSC는 개별화된 의학 (Personalized medicine)의 맥락에서 치료법 결정을 내리는데 도움이 될 수 있다.

(5) 심근세포의 기능 평가 방안

사람의 유도만능줄기세포 (human induced pluripotent stem cells, hiPSCs) 유래 심근세포를 통해 만든 질병모델은 일반적인 세포주와 달리 수축하는 기능을 가지기 때문에 이에 대한 평가가 가능하다. 특히, 심근세포는 분자생물학적인 변화가 실제 심근세포에 미치는 변화에 대한 평가가 연구에서 매우 중요하기 때문에 이에 대한 평가 방법 구축이 중요하다. 심근세포는 박동성이 존재하는 세포이며 이 박동성으로 전위차(electrical potential difference)의 변화 및 칼슘 흐름(calcium transient)의 변화가 존재하며, 이의 변화와 함께 수축력(contractility)의 변화가 동반된다. 전통적인 신호전달 메커니즘의 변화와 이를 통한 기능적 변화를 추적 관찰함으로써 심부전을 일으키는 유전자에 대한 통합적인 평가가 가능하며, 이를 통해 심근병증의 근본적인 원인에 조금 더 접근이 가능할 것이라 기대할 수 있다. 

그림3. 사람 유도 만능줄기세포 유래 심근세포의 in vitro 평가 방법

심근세포의 기능평가 방법에는 단일세포의 채널에 평가가 가능한 Patch clamp 방법과 Calcium transient 등의 평가에 유용한 Fluorescent imaging 방법이 있으며, Cluster 단위의 세포의 전위차의 평가가 가능한 다채널미세전극어레이(MEA) 시스템과 Impedance assay 시스템, 마지막으로 심근세포의 움직임을 직접적으로 평가하는 video microscopy 등을 들 수 있다.  이 같은 시스템을 통해 심근세포의 기능을 평가하는 것은 심근병증 연구에 필수 불가결한 요소가 되고 있다.  

(6) 심근병증 유전체 연구와 환자유도만능줄기세포유래 심근세포의 정밀의료 활용사례

심근병증에 유전적 원인이 있다는 사실은 1989년 Harvard 의대 Seidman 연구팀이 비후성 심근병증 환자에서 처음으로 보고하였다. 이 연구팀은 그 이 후 MYH7, MYBPC3, TNNT2 등 심근세포 섬유를 구성하고 있는 단백질들에 변이가 있을 경우 비후성/확장성 심근병증이 발생할 수 있음을 1990년대 후반에 추가로 보고하였다. 심근세포 섬유를 구성하는 단백질들은 구조 단백질로 우리 몸 단백질 중 가장 큰 크기를 가진 단백질들로, 기존 Sanger sequencing 방법들로는 충분한 유전자 분석이 이루어지지 않다가, NGS 방법이 도입된 후 분석 방법 개선에 의해, 거대 단백질인 TTN 유전자 변이가 확장성 심근병증 발생과 관련 있다는 결과를 Harvard Seidman 그룹과 Imperial College of London Cook 그룹이 2012년 NEJM에 보고하였다. 이 같은 보고들을 근간으로 2018년 미국심부전학회에서 발표한 심근병증 유전자 검사 권고 지침에 따르면, 비후성 심근병증의 경우 11개의 유전자 검사를 통해 30-60% 양성률, 확장성 심근병증의 경우 30여개의 유전자 검사를 통해 10-40% 양성률, 부정맥성 심근병증의 경우 8개의 유전자 검사를 통해 10-50% 양성률을 기대할 수 있다고 발표하였다.

환자의 유전적 배경을 그대로 지니는 환자유도만능줄기세포의 특성으로 인해 분화된 심근세포를 이용하여 앞서 밝혀진 유전자들의 역할을 실제 심근세포에 알아보려는 노력들이 시도되었다. 2015년 Harvard 의대 Seidman 연구팀은 TTN truncated 변이가 존재하는 환자의 iPSC 및 심근세포분화를 통해 TTN A-band truncation 이 확장성 심근병증의 원인임을 밝혔다. 또한, 2018년 스탠포드 대학의 Joseph Wu 연구팀은 LMNA mutation 관련 심근병증이 있는 환자를 대상으로 환자유래심근세포를 확보하여 PDGFR 신호전달과 질병발병이 연관이 있음을 보고 하였다. 또한, 비록 심근병증은 아니지만 2013년 Columbia university의 Terrenoire 등 은 Mexiletine을 이용한 부정맥 치료 실패환자에 대해 환자유래심근세포에서 Flecainide를 통한 치료보다 심장박동 수 증가를 통한 부정맥완화효과가 좋다는 것을 확인하였고, 실제 환자에 적용하여 효과를 확인하였음. 이는 최초의 환자맞춤형 유도분화줄기세포를 질병모델링을 통한 치료로 환자유도만능줄기세포유래 심근세포의 정밀의료적 가능성을 확인해 준 좋은 사례라 할 수 있다.

3. 결론

줄기세포가 발견된 이후 관련 과학기술의 발전은 눈에 띄게 빠르게 이루어지고 있으며 이를 이용한 연구 적용은 의학계의 주요 관심사이다. 환자유래줄기세포는 이미 재생의료에서 가장 각광받는 연구주제 중 하나이며, 본 세포가 가지는 유전적 특징을 이용한 정밀의료 또한 빠르게 발전하고 있다. 특히, 기존 심근병증 연구 뿐만 아니라  심혈관질환의 예방 및 치료에 환자유래줄기세포가 적절히 사용된다면, 세계 제 1의 사망원인인 관련질병으로 인한 사망률 및 유병률 감소에 큰 역할을 감당할 수 있을 것이다. 이를 위해 국가적인 차원의 투자 및 지원과 우수한 연구인력들의 관심이 필수적이라 하겠다.

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