Abstract

The primary cell-based research and related potential application areas increased with the development of next-generation genome studies. The National Biobank of Korea launched a pilot project for collecting primary cells from human tissues to test the feasibility and usability of primary cells using a biobank.
This project was operated to secure human primary cells, including relevant information, and to establish the Standard Operating Procedure (SOP) of collecting, managing, storing and re-suspension. Common data elements for clinical/epidemiological information and data related to each of the primary cells were collected. Through this project, we successfully collected several primary cells (bone marrow-derived mesenchymal stem cells retrieved during bone marrow screening for the diagnostics of blood disease; bone marrow-derived stromal cells; mesenchymalcells, endothelial cells; and polyp-derived mesenchymal cells during endoscopic screening of large intestine disease; polyp stromal cells; polyp-derived mesenchymal cells, periodontal tissue-derived mesenchymal cells; oral fibroblast cells; fat-derived adipose stem cell from adipose tissue obtained during liposuction; keratinocytes; and mesenchymal cells and fibroblast cells from foreskin tissue obtained during circumcision).
Finally, we successfully obtained 11 cell types from 5 tissues. Also, the viability of re-suspended primary cells was checked. We concluded that these primary cells may be stored in LN2 tank and distributed for future-related studies.


Ⅰ. 들어가는 말

인체조직으로부터 단일세포를 분리, 배양하는 과정을 통칭하여 “Primary cell culture”라 한다. 일차세포의 큰 특징은 배양 상태가 생체 내(in vivo) 환경과 유사한 생물학적 특징을 지닌다는 점이며, 일반적인 세포주(Immortalized cell line)와 다르게 체외 환경에 적응하는 노화과정을 거치게 된다. 따라서, 지속적인 성장이 아닌 제한된 계대수(passage)를 가지게 된다. 일차세포는 형태학적 특성에 따라 상피세포(Epithelial cells), 섬유아세포(Fibroblast cells), 각질세포(Keratinocytes), 멜라닌세포(Melanocytes), 내피세포(Endothelial cells), 근육세포(Muscle cells), 조혈세포(Hematopoietic cells), 그리고 중간엽 줄기 세포(Mesenchymal stem cells)의 형태로 구분할 수 있다.
일차세포는 조직에서 보여주는 생물학적 특성을 대변하는 역할을 할 수 있어 생체 내에서 해결하지 못하는 다양한 연구를 수행할 수 있다. 일차세포는 체외에서 전 임상 연구와 세포 간(internal) 또는 세포 내(intercellular) 신호전달에 대한 연구에 매우 유용하게 이용되고 있으며, 특히 암 발생 원인 규명, 파킨슨병(Parkinson's disease), 만성 질환 등의 병태생리기전 규명을 위한 연구 자원으로 이용되고 있다. 또한, 일차세포는 대부분의 세포가 정상 염색체를 갖고 있기 때문에 유전체 변이 분석에 이용될 수 없지만, 후성 유전체학 연구에 이용될 수 있어 일차세포의 활용에 있어서 매우 중요한 역할을 할 수 있다[1].
따라서 본 사업에서는 다양한 연구에서 일차세포를 활용할 수 있게 일차세포의 분리, 배양 및 저장 방법을 확립하고, 연구자들에게 분양 가능한 일차세포를 구축할 수 있는 기회로 삼고자 한다.


Ⅱ. 몸 말

1. 일차세포 배양
일차세포 제작에 필요한 조직은 각 기관별로 IRB 승인을 얻은 후, 3차 병원 2곳과 1차 병원 3곳으로부터 제공받아 분리, 배양을 실시하였다. 총5개 조직에서 11종의 일차세포가 제작되었으며, 일차세포 분리, 배양 및 저장에 관한 표준프로토콜(Standard Operating Procedure)을 확립하였다[2]. 가장 많이 얻어진 일차세포는 MSC(Mesenchymal stem cells)로 5가지 조직 모두에서 분리, 배양되었다. 일차세포는 제한된 계대수(passage)를 가지기 때문에 제작된 일차세포의 계대수가 모두 4 이하로 저장되었다(Table 1).

2. 일차세포 활용 현황
다양한 기관에서 일차세포를 배양하여 연구자에게 공급하고 있으며, 인체유래 조직으로부터 일차세포를 배양하기 위한 세포배양 조성의 개발이 활발히 진행 중이다[3]. Zen-Bio사는 Duke 대학과 공동 연구를 통하여 간세포(hepatocyte) 배양 기법 및 배양액을 개발하고 있다[4]. 또한 일차세포를 원료로 이용하여 다양한 조직을 프린팅 할 수 있는 3D bioprinting 시스템이 개발되고 있으며[5], Cyfuse사에서 3D printing을 이용하여 일차세포를 구상체(spheroid)로 배양하고(Figure 1), 형성된 구상체는 Kenzan Method (GEL-FREE and SCAFFOLD-FREE Bioprinting Technology)를 이용하여 조직을 개발하는데 활용된다(Figure 2).


Ⅲ. 맺는 말

ATCC (American Type Culture Collection)를 포함한 ALLCELL, Cell Apllications, Chi Scientific, German Collection of Microorganisms and Cell Cultures와 같은 기관에서 일차세포 제작을 주문 받아서 연구자에게 공급하는 시스템을 갖고 있으며, 기탁을 하는 경우, IRB 승인 후 자원 제작을 진행하고 있다. ATCC에 일차세포 기탁을 요구하는 연구자에게 일차세포를 이용하여 발표된 연구 결과를 기반으로 심의를 통하여 일차세포의 유효성을 검증한 후 기탁을 받고 있으며, 기탁을 하는 과정에서 다양한 안정성 검사 자료 및 IRB 자료를 제출하여야 한다.
일차세포인 경우, 인체유래 조직을 확보하는 과정에서 바이러스에 노출될 위험이 있다. 이를 해결하기 위해 환자 혹은 기증자의 임상정보가 필수적으로 필요하며, 배양된 일차세포로 부터 HIV, HPV, EBV 등과 같은 바이러스 검사가 이루어져야 할 것이다.
또한, 대부분의 일차세포는 계대수 10에서 세포가 노화되어 더 이상 성장하지 않기 때문에, 하나의 일차세포에서 지속적인 연구를 진행하기에는 한계점이 있다. 따라서 SV40 T antigen과 Human telomere 유전자를 일차세포에 도입하여 일차세포의 생물학적 특성을 최대한 갖고, 지속적인 배양이 가능한 불멸화 세포주(immortalized cell)를 제작한다면 다양한 분야에서 연구 자원으로 활용될 수 있을 것이다.
마지막으로, 국립중앙인체자원은행에서는 제한된 계대수를 극복하고, 고품질의 일차세포를 연구자에게 분양할 수 있게 노력할 것이며, 이를 위해서는 제작된 일차세포의 정도관리와 관련 전문가와의 자문회의를 통한 표준프로토콜의 완전성을 높이는 일이 우선적으로 진행해야 할 과업이다.


Ⅳ. 참고문헌

1. Boulding T et al. Differential Roles for DUSP Family Members in Epithelial-to-Mesenchymal Transition and Cancer Stem Cell Regulation in Breast Cancer. PLoS One. 2016 Feb 9;11(2):e0148065.
2. 일차세포(primary cell) 공급체계 구축 시범사업 최종결과 보고서http://www.prism.go.kr/homepage/progress/retrieveProgressDetail.do?research_id=1351000-201500332
3. Fennema E et al. spheroid culture as a tool for creating 3D complex tissues. Trends Biotechnol. 2013 Feb 31(2):108-15.
4. Pettinato G et al. Scalable Differentiation of Human iPSCs in a Multicellular Spheroid-based 3D Culture into Hepatocyte-like Cells through Direct Wnt/β-catenin Pathway Inhibition. Sci Rep. 2016 Sep 12(6): 32888.
5. Bell CC et al. Characterization of primary human hepatocyte spheroids as a model system for drug-induced liver injury, liver function and disease. Sci Rep. 2016 May 4(6): 25187


※ 이 글은 2016년 질병관리본부 정책용역사업 과제인 “일차세포(primary cell) 공급체계 구축 시범 사업” 보고서를 일부 요약 정리한 내용입니다.