신약개발 평가도구로서의 줄기세포의 활용
Application of stem cells as in vitro assessment in drug discovery

질병관리본부 국립보건연구원 생명의과학센터 난치성질환과      
  

Ⅰ. 들어가는 말
  전통적으로 감염성 질환은 인간의 생명을 위협하는 가장 주요한 원인이었고, 현재에도 기후의 변화나 사회·문화적 변화에 의한 신종 감염성 질환의 위협이 상존하고 있다. 항생제, 백신 등 감염성 질환에  대한 대응 수단의 개발이 가속화됨에 따라 외상성 손상 및 내재적인 이상에 대한 관리가 선진국 중심으로 주요하게 부각되고 있는 추세이다. 외상성 손상에 의한 신체 기능의 소실 및 희귀·난치성 질환을 치료 하기 위한 의학적 접근은 손상된 신체 일부의 증상 악화에 따른 신체 기능 이상 심화를 예방하기 위한 의약품 및 수술적 절제 방법이 주를 이루던 시기와 20세기 중반부터 부각된 장기이식의 시대를 지나 21세기는 줄기세포를 이용한 재생의학적 접근이 생명공학계의 최대 화두로 부각되고 있으며 치료의학의 모든 영역에서 혁신을 일으키고 있다. 이는 적극적, 능동적으로 손상된 각종 장기의 재생을 유도한다는 점에서 기존 의학의 패러다임의 변화를 가져오는 중대한 전환점으로 작용할 수 있다고 볼 수 있다.
  줄기세포는 생물학적, 의학적 활용에서 치료제로서의 접근이 가장 중요한 부분이며, 현재 전 세계적인 대규모 연구투자, 줄기세포 기초·중개 연구 및 임상연구 방법론의 표준화 및 우수제조관리기준(good manufacturing practice; GMP) 등 개발 환경 개선과 수많은 줄기세포·재생연구자의 헌신적인 노력이 지속된다면 줄기세포를 이용한 재생의학의 실용화가 머지않은 미래에 이루어질 것으로 기대되나 현재 까지의 기술개발 단계를 근거로 본다면 세포, 장기 등 재생치료제나 조직을 개발하여 활용 가능한 수준에 도달하기 위해서 극복해야 할 장벽들이 산재해 있음을 부정할 수 없다. 이 글에서는 줄기세포의   치료적 접근 이외에 우리가 줄기세포를 더욱 가까운 미래에 활용할 수 있는 방법, 즉 줄기세포를 in vitro 평가도구로 활용함으로써 궁극적으로 안전하고 유효한 신약개발에 활용하는 기술에 관하여 논하고자 한다.

Ⅱ. 몸 말
  1. 줄기세포란 무엇인가?
  줄기세포는 수정란의 발생단계 중 포배(blastocyst) 상태의 내세포괴(inner cell mass)에서 분리되어 시험관 내에서 무한증식할 수 있는 자가재생능(self-renewal) 및 외부의 자극에 의해 신체의 어떤 조직으로든 분화할 수 있는 능력(전분화능, pluripotency)을 가진 배아줄기세포(embryonic stem cells)와 성체 내에 존재하는 각 기관, 예를 들면 골수, 제대혈, 지방조직 등에서 유래하며, 배아줄기세포에 비해서 제한된 분화능력(다분화능, multipotency)을 가지고 있는 성체줄기세포(adult stem cells)로 나눌 수 있다.
  1981년 최초로 생쥐배아 줄기세포가 확립된 후, 1998년 미국의 James Thomson 등에 의해 인간 배아 줄기세포가 분리되고 체외분화능이 보고된 이래 현재까지 전 세계적으로 700주 이상 수립된 것으로  알려져 있으며, 생명윤리적 논란에도 불구하고 전분화능을 가진 줄기세포로서 임상적용 가능성이 매우 높아 선진국 중심으로 지속적으로 연구되고 있다. 성체줄기세포의 경우 상대적으로 윤리문제가 적고  시료 채취, 세포의 분리 및 배양이 쉬우며 자신의 조직에서 분리된 세포를 이용할 수도 있어 배아줄기세포보다 임상적용에 가까운 것으로 평가되고 있다. 이러한 배경하에 2006년 일본 교토대학에 Yama-naka 연구팀은 생쥐로부터 배아섬유아세포에 OCT4, SOX2, KLF4, C-MYC의 4종류의 유전자를 도입함으로써 체세포를 리프로그래밍하여 배아줄기세포와 동등한 수준의 전분화능을 획득하게 하는   역분화줄기세포(induced pluripotent stem cell; iPSC) 제작법이 개발되어 줄기세포 분야뿐만 아니라 생물학, 의약학 전분야에 지대한 영향을 미치고 있다.
                                 

  2. 신약개발에 있어서 줄기세포의 활용성
  과거 수십 년간 제약업계는 눈부신 발전을 거듭하여 왔으며 획기적인 신약 개발을 통해 인류의 건강 확보에 많은 공헌을 해 왔다. 그러나 최근 신약 개발은 투자 대비 이윤 창출의 감소로 고통받고 있으며 구조조정의 필요성 제기 등 수익성 저하를 극복하기 위한 다각적인 노력이 기울여지고 있다. 제약업계에서 투자대비 수익성이 낮은 주요 원인은 개발되는 신약 중 대부분이 전임상 및 임상시험 단계에서  효력이 입증되지 않거나 전 단계에서 발견되지 않던 독성이 나타나 신약개발이 중단되기 때문이다.   이러한 문제는 신약 개발의 초기단계부터 전임상에 이르는 동안 신약 후보물질의 효과와 독성을 평가하는 방법이 시험관 내 시험법이 대부분을 차지하여 사람의 체내 환경과 너무 큰 차이를 가지고 있어 실제 사람에 적용 후 약효 혹은 독성 반응이 신약개발 단계에서 도출되는 결과와 큰 차이가 있기 때문에   발생한다.
  배아줄기세포나 역분화줄기세포 등 전분화능줄기세포(pluripotent stem cell)는 무한한 증식능력과  신체의 모든 장기 조직으로 분화할 수 있는 능력을 가지고 있어 줄기세포 치료제로서의 활용뿐만 아니라 신약 개발 단계에서 인체조직과 매우 유사한 분석·평가 도구로 활용될 수 있다. 또한, 줄기세포를 이용하여 질병의 원인을 밝히고 새로운 약물표적을 발굴하는 데에 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 2차 약리 효능연구, 안전성연구, 대사체연구, 독성평가 등 신약개발 초기단계부터 전임상 분야의 모든 단계에   이용이 가능하다. 일례로 전분화능줄기세포와 이에서 유래한 전구세포들을 이용하여 각화세포(keratinocyte)에 의한 피부의 재생 및 치료 과정과 같은 내재성 줄기세포에 대한 신약의 효능을 평가할 수 있다. 또한 줄기세포로부터 유도된 간세포 등을 이용하여 신약의 약효 스크리닝 및 검증, 혹은  안전성평가연구 등 다양한 신약 평가가 가능하다. 현재 사용되는 약효 및 안전성 평가법은 대부분 초대배양세포(primary cultured cell) 혹은 종양세포주를 사용하는데 이러한 세포들은 사람의 체내에 있을 때 고유하게 가지고 있던 중요한 세포 내 기능체계가 배양과정 중 소실된다는 문제점이 있다. 신약평가에 중요한 심근, 신경세포 등의 경우는 사람으로부터 초대배양세포(primary cultured cell)를 얻기가  매우 힘들다는 점도 중요하다. 최근, 미국환경청(EPA), 독성연구프로그램(NTP), 국립보건원(NIH) 등 3개   기구가 동물을 이용한 물질 안전성실험을 단계적으로 폐지하겠다고 발표하였다. 실제로, 실험동물을   이용한 평가가 적용되는 경우가 많은데 실험동물을 이용한 평가는 비용이 높은데다가 실제 임상에서의 결과와 일치도가 떨어지고 윤리적인 관점에서도 동물실험에 대한 문제가 제기되고 있다. 따라서 신약 개발단계에서 실패확률을 낮추고 수익성을 높이기 위해서는 사람의 세포를 이용한 시험관 내 평가방법의 개선이 절실하다. 그러나 사람의 초대배양세포는 확보하기 어려우며 증식에도 한계가 있다. 이에 비하여, 전분화능줄기세포의 경우 동일한 유전적 배경을 가진 세포를 무한대로 확보할 수 있어서 동일한 조건 내에서 유사 약물간 효력 비교, 세포별 반응성 비교나 고효율 약효검색법 개발이 가능하다. 또한 다양한 유전적 배경을 가진 전분화능줄기 세포가 수립되어 있으므로 신약 평가에 있어 유전적 다양성 및 개체차에 대한 평가 역시 가능하다. 전분화능줄기세포를 신약 개발에 있어서 중요한 간세포, 심근세포, 신경계세포 등으로의 특이적 분화를 유도하는 연구가 전 세계적으로 다수 진행되고 있으며, 줄기세포로부터 분화된 이러한 세포들이 사람의 초대배양세포를 대체할 수 있다. 2001년 국립보건원(NIH)에서 전분화능 줄기세포부터 인슐린을 생산하는 췌도세포 분화 유도에 성공하였으며, 췌도유사세포, 근육세포, 혈구세포 및 신경세포로 분화될 수 있는 능력을 가지고 있음을 증명하였다. 줄기세포의 분화 유도 기술의 발달에 따라 치명적인 유전질환을 가진 환자로부터 역분화줄기세포주를 수립한 후 시험관 내에 분화시킴으로써 유전질환의 체외 세포모델링 연구뿐만 아니라 질환의 증상 완화 및 치료제 개발에 활용될 수 있음이  보고되고 있다[1-4]. 한편, 줄기세포는 치료제로서 생물학적 가치뿐만 아니라 평가도구로서의 활용가능성이 매우 높기 때문에 최근 Pfizer, Glaxo Smith Kline 등의 대기업에서도 줄기세포연구센터를 구축하여 운영하고 있으며, 이 외의 세계 유수의 제약기업들도 인간 유래의 줄기세포를 연구하려는 움직임을   보이고 있다. 실제로 전 세계 20대 제약기업들이 줄기세포 관련 연구를 수행하고 있으며, 이들 중 64%는 인간 배아줄기세포를 이용하고 있다[5].

  3. 신약개발에 있어서 배아줄기세포 유래 간세포의 활용
  간세포는 여러물질의 대사나 해독, 효소의 합성 등 다양한 기능으로 신약후보 물질의 독성평가나   약물대산 분석에 매우 중요하게 사용되고 있다. 그러나 간세포를 체외에서 배양 시 증식하지 않고 사멸하기 때문에 현재 간세포 단계에서 증식시켜 성숙한 간장세포로 유도 및 발달시키는 기술 개발에 초점을 맞추고 있다. 간은 내배엽(endoderm) 유래로 발생되며 발생과정에서 특이적인 성장인자와 유전자 발현 조절을 통하여 형성된다. 섬유아세포성장인자(fibroblast growth factor; FGF)와 골형성유도 단백질(bone morphogenetic protein; BMP) 등의 성장 인자의 상호작용에 의하여 발생과정 중 간상피세포계(hepatic epithelial lineage)로의 분화가 결정되며 간세포(hepatocyte)와 담관상피세포(cho-langiocyte)를 만들 수 있는 양극성 세포인 간전구세포(hepatoblast)가 형성된다. 간세포 성장인자(hepatocyte growth factor; HGF)는 간전구세포의 증식에 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 간세포의 성숙에는 oncostatin M(OSM) 등의 hematopoietic signal과 dexamethasone 등의 영향이 중요한 것으로 알려져 있다. 인간 배아줄기세포의 간세포분화는 간의 발생과정과 유사하게 definitive endoderm 형성, hepatic differentiation, hepatocyte maturation의 세 단계로 이루어져 각 단계별로 Activin, Dimethylsulfoxide(DMSO), 간세포 성장인자(hepatocyte growth factor; HGF), oncostatin M(OSM) 등을 외부적 신호를 사용한다[6,7]. 간세포 분화는 형태적 변화, 성장인자 및 전사인자의 발현 등으로 확인하고 간세포 특이적 알부민분비, 글루카곤 합성 등의 기능적 변화도 확인하고 있다. 하지만 현재까지 인간 배아줄기세포를 이용한 간세포 분화는 그 효율이 매우 낮고 분화효율을 평가할 수 있는 표지인자가 적절하지 않으며, 기능적으로 인간의 간세포와 유사한지 테스트할 수 있는 기준들이 마련되지 않아 그 성과가 미미한 편이다.
  간 기능에 대한 영향 및 간 손상은 약물에 의한 주요 독성 유발 요인 중 하나로[8] 신약개발의 초기단계에 있어서 약물의 간독성 여부나 예상치 못한 대사물 생성 여부에 대한 평가가 매우 중요하지만  사람의 간이 가지는 구조적, 기능적 복잡성 때문에 간을 대체할 수 있는 in vitro 평가도구가 없는 상태이다. 간 생검조직으로부터 초대배양세포를 얻어내어 이용하거나 상용화된 초대배양 간세포를 구입하여 이용할 수 있지만 앞서 지적하였듯이 초대배양세포는 증식력이 매우 제한적이고, 품질이 일정하지 못한 단점이 있어 비용대비 효용성이 매우 낮다. 이에 대한 대안으로 사람의 종양세포주인 HepG2 세포주  등이 사용되고 있으나 이는 간세포 특이 약물대사효소 및 주요 단백질 발현수준에서 체내의 간세포와 현격한 차이가 있다. 약물대사효소계 활성은 줄기세포에서 간세포 유도시 해결해야할 큰 문제 중 하나이다. Glutathione S transferase(GST) 등의 phase II 효소의 경우 줄기세포유래 간세포가 사람의 간세포와 유사한 수준으로 발현한다는 보고가 있으며, phase I 효소인 cytochrome P450(CYP) 역시 messenger RNA 및 단백질 수준에서 발현될 수 있음이 일부 보고되고 있다[9,10]. 하지만 현재까지 줄기세포 유래 간세포에서 CYP 효소가 체내 간세포와 유사한 수준으로 발현될 수 있는지에 대한 보고는 없으며 이러한 효소계가 실제로 효소활성을 나타낸다는 보고 또한 극히 제한적이다[7]. 이러한 문제를 극복하기 위해 3차원 배양 등 배양조건의 세밀화 및 분화법의 효율화를 위한 다양한 시도가 이루어지고 있으며, 이를 통해 줄기세포로부터 대사효소 및 간세포의 주요 단백질 등 기능적으로 사람 간세포의  체내 조건과 동일하고 안정적인 세포주를 개발할 경우 신약개발 및 평가의 신뢰성 제고뿐만 아니라  비용 절감 및 신약개발 성공률 증진을 통한 수익성 향상에 미칠 영향은 매우 클 것으로 사료된다.

Ⅲ. 맺는 말

  줄기세포는 생물학, 의학 전반에 걸쳐 최근 10여 년간 가장 급격히 부각된 분야 중 하나이며 전 세계적인 대규모 연구투자 및 연구 저변의 확대가 이루어지는 분야로 현재까지 줄기세포를 이용한 재생치료의 실용화를 위해 극복해야 할 많은 문제들이 존재함에도 불구하고 가까운 미래에 다양한 질병 치료에 활용될 수 있을 것으로 생각된다. 줄기세포를 이용한 치료기술 이외에도 이 글에서는 좀 더 가까운 미래에 현실화될 가능성이 높은 줄기세포 활용법으로서 신약개발단계에서 약물의 유효성 및 독성을 평가할 수 있는 in vitro 평가도구로서의 활용에 대하여 논하였다. 인간의 전분화능줄기세포주가 가지는 특성인 무한 증식성 및 현존하는 다수의 줄기세포주의 유전적 다양성에 따라 줄기세포에서 유래하는 다양한 조직의 세포 중 심근세포, 신경세포 및 간세포 등은 신약 평가에 있어 매우 중요한 평가 수단으로 활용될 수 있다. 특정세포로의 분화유도법은 최근 많은 연구 성과들이 발표되고 있으나 앞으로도 지속적인 연구개발을 통해 실제 제약산업 현장에 적용할 수 있는 기술 수준에 도달하여 신약개발 분야의 경쟁력 강화에 기여할 수 있기를 기대한다.

Ⅳ. 참고문헌

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3. Carvajal-Vergara X, Sevilla A, D'Souza SL, Ang YS, Schaniel C, Lee DF, Yang L, Kaplan AD, Adler ED, Rozov R, Ge Y, Cohen N, Edelmann LJ, Chang B, Waghray A, Su J, Pardo S, Lichtenbelt KD, Tartagla M, Gelb BD, Lemischka IR. Patient-specific induced pluripotent stem cell-derived models of LEOPARD syndrome. Nature 2010; 465:808-812
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5. Jensen J, Hyllner J, Bjorquist Petter., Human Embryonic Stem Cell Technologies and Drug Discovery. J Cell Physiol 2009; 219(3):513-9
6. Hay DE, Fletcher J, Payne C, Terrace JD, Gallagher RC, Snoeys J, Black JR, Wojtacha D, Samuel K, Hannoun Z, Pryde A, Filippi C, Currie IS, Forbes SJ, Ross JA, Newsome PN, Iredale JP. Highly efficient differentiation of hESCs to functional hepatic endoderm requires ActivinA and Wnt3a signaling. Proc Natl Acad Sci USA 2008; 105(34):12301-6
7. Cai J, Zhao Y, Liu Y, Ye F, Song Z, Qin H, Meng H, Chen Y, Zhou R, Song X, Guo Y, Dinf M, Deng H., Directed differentiation of human embryonic stem cells into functional hepatic cells. Hepatology 2007; 45:1229-39.
8. Kola I, Landis J., Can the pharmaceutical industry reduce attrition rates? Nat Rev Druc Discov 2004; 3:711-5
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