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문제 정의
이러한 상황에서 임상적용 가능한 수준의 줄기세포 치료제를 개발하기 위해 당면한 문제점을 해결할 수 있는 줄기세포 응용기술 개발 연구에 주력할 필요가 있다. 본 원고에서는 줄기세포의 종류 및 특징, 줄기세포 치료제의 개발현황에 대해 요약하고 줄기세포의 생착능을 향상시키고 분화를 조절하는데 응용될 수 있는 기술을 개발하는 최근의 줄기세포공학 연구 동향을 소개하고자 한다.
제안 방법
바 있다[36]. 세 가지의 조직 (뇌, 근육, 골의 기계적 물성을 모사할 수 있도록 세포가 부착되는 재료 표면의 기계적 강도를 각각 선택한 뒤 줄기세포를 각각의 표면에 배양하여 분화시켰다. 결괴적으로 각각의 표면 (뇌, 근육, 골 조직을 모사한 재료)에서 배양된 줄기세포는 각각 신경세포, 근육세포, 골세포로 분화되었다 (그림 6).
다양한 조성으로 구성된 아크릴레이트 고분자를 마이크로어레이 (microarray) 제작에 이용하였는데 고분자의 종류와 조성에 따라 물리적 성질이 달라지므로 세포 부착이 크게 달라질 수 았을 것으로 기대되었다. 유리 슬라이드 위에 다양한 종류와 조성의 아크릴 레이트 고분자를 나노 리터의 부피로 프린팅하여 마이크로 어레이를 제작하고 인간 배아줄기세포를 배양한 후 줄기세포의 부착 및 콜로니 형성을 살펴보았다. 고분자의 성질에 따라 세포부착 및 증식 거동이 크게 달라졌는데 결과적으로는 적당한 소수성 (hydrophobicity)을 가지며 표면이 단단한 재료 상에서 줄기세포의 콜로니가 잘 형성되었다.
이론/모형
그림 5. 배아줄기세포 배양에 최적의 합성고분자 물질을 발굴하기 위한 마이크로어레이 (microarray) 기법 [참고문헌 35에서 인용].
성능/효과
20번 이상의 계대 배양을 거치면 기형종 (teratoma)이 생길 수 있다고 알려져 있다[32]. 개발된 라미닌 상에서 배양을 하면 전분화능 줄기세포가 오랜 기간 동안 기형종의 생성 없이 줄기세포의 성질을 유지하면서 자기 재생 (self-renewal)할 수 있다는 사실이 확인되었다[32]. 세포 배양 접시에 부착된 특정 펩타이드 혹은 합성고분자 물질이 배아줄기세포가 장기간 분화 (differentiation) 없이 줄기세포로서 분열될 수 있도록 유도할 수 있다는 결과도 보고되었다.
펩타이드-아크릴 레이트 (peptide-gylate) 표면 혹은 메타아크릴레이트 (methacrylate) 계열의 합성고분자 표면 상에서 배아줄기세포를 배양한 결과 수십 번의 계대 배양을 거쳐도 분화 없이 줄기세포가 자기 분열할 수 있었다[33, 34]. 개발된 생체재료 상에서 배양된 줄기세포는 매트리젤 상에서 배양된 줄기세포와 유사한 표현형질을 보여주었고 전분화능이 유지되었을 뿐 아니라 핵형 (karyotype) 분석을 통해 유전적 결함 없이 배양 되었음이 확인되었다. 고효율 스크리닝 (high-throughput screening) 전략을 이용하여 배아줄기세포 배양에 최적의 생체재료를
다양한 성장인자 단백질 및 유전자를 서방형 제어 방출 형태로 전달하는 시스템은 줄기세포 이식술과 복합적용 되거나 줄기세포를 수식하는 기술로 활용될 수 있다. 결과적으로 줄기세포의 생착과 증식을 향상시킴으로써 치료 효능을 증대할 수 있다.
유리 슬라이드 위에 다양한 종류와 조성의 아크릴 레이트 고분자를 나노 리터의 부피로 프린팅하여 마이크로 어레이를 제작하고 인간 배아줄기세포를 배양한 후 줄기세포의 부착 및 콜로니 형성을 살펴보았다. 고분자의 성질에 따라 세포부착 및 증식 거동이 크게 달라졌는데 결과적으로는 적당한 소수성 (hydrophobicity)을 가지며 표면이 단단한 재료 상에서 줄기세포의 콜로니가 잘 형성되었다. 발굴된 고분자 재료들은 줄기세포 상의 특정 수용체 (integrin 이为, %底)를 통한 부착을 통해 콜로니 형성 효율이 향상되는 것으로 확인되었다
고분자의 성질에 따라 세포부착 및 증식 거동이 크게 달라졌는데 결과적으로는 적당한 소수성 (hydrophobicity)을 가지며 표면이 단단한 재료 상에서 줄기세포의 콜로니가 잘 형성되었다. 발굴된 고분자 재료들은 줄기세포 상의 특정 수용체 (integrin 이为, %底)를 통한 부착을 통해 콜로니 형성 효율이 향상되는 것으로 확인되었다
결괴적으로 각각의 표면 (뇌, 근육, 골 조직을 모사한 재료)에서 배양된 줄기세포는 각각 신경세포, 근육세포, 골세포로 분화되었다 (그림 6). 이 연구결과를 통해 배양액 및 성장인자뿐만 아니라 세포가 부착되는 재료 표면의 특징도 줄기세포의 분화를 조절할 수 있음이 확인되었다.
이식하였다. 이식 후 환자는 기도 기능이 회복되었고 정상적 인 사회활농이 가능하게 되었다.
후속연구
2009년 영국의 리뉴런 (ReNeuron)사는 태아에서 추출한 신경줄기세포를 뇌졸중 환자에게 적용하는 임상 연구를 영국 의료보건당국으로부터 허가 받아 연구를 진행하고 있다. 그동안 윤리적인 문제 및 안전성 측면에서의 불확실성 등으로 인해 제한적으로 연구되어 왔던 인간 배아줄기세포 혹은 태아 유래 줄기세포의 최근 임상시험 허가는 세계적으로 관련 줄기세포의 연구를 가속화할 것으로 전망된다.
실제로 동물실험에서의 성공적인 연구결과를 바탕으로 일부 줄기세포 치료제가 임상적으로 적용되어 평가되고 있다. 그러나 아직 당면한 문제점이 많은 상황인데 이를 해결할 수 있는 응용기술 연구는 실제 환자에게 적용 가능한 수준의 치료효능을 보여주며 동시에 안전성이 검증된 줄기세포 치료제 개발을 기속화할 수 있을 것으로 생각된다. 임상에 적용될 수 있는 수준의 줄기세포 치료제 개발이 미미한 상황에서 위에서 살펴보았던 여러가지 공학적 응용기술은 난치성 질환 및 만성질환에 대한 새로운 자가 세포치료제 및 맞춤형 인공장기를 생산하는 재생의학 분야의 원동력이 될 것이다.
따라서 최근에는 도입 유전자의 수를 줄이고 바이러스 벡터가 아닌 플라스미드 (plasmid), 이동 유전자 (transposon; piggyBag) 및 전사인자 단백질전달을 통해 역분화 줄기세포를 제작하는 연구 결과들이 보고되고 있다[7-9]. 그러나 이러한 새로운 시도는 바이러스 벡터를 이용한 역분화 기술에 비해 줄기세포의 수득률이 떨어지는 문제점을 가지고 있어 역분화 효율이 보다 향상되고 안전하게 유전자 혹은 단백질을 도입하는 기술을 개발하는 연구가 필요하다.
5)[35]. 다양한 조성으로 구성된 아크릴레이트 고분자를 마이크로어레이 (microarray) 제작에 이용하였는데 고분자의 종류와 조성에 따라 물리적 성질이 달라지므로 세포 부착이 크게 달라질 수 았을 것으로 기대되었다. 유리 슬라이드 위에 다양한 종류와 조성의 아크릴 레이트 고분자를 나노 리터의 부피로 프린팅하여 마이크로 어레이를 제작하고 인간 배아줄기세포를 배양한 후 줄기세포의 부착 및 콜로니 형성을 살펴보았다.
봐이러스벡터를 이용한 줄기세포 유전자 전달 방법보다는 아직까지도 유전자 전달 효율, 발현능, 발현기간 등에 있어 미치지 못하지만 조직손상 치료를 위해 중요한 초기 단계 (1~2주 내)에는 유전자 발현이 지속된다. 따라서, 생체 적합하며 부작용을 유발할 가능성이 낮은 전달체를 이용한 유전자 전달 기술은 줄기세포의 치료효능을 향상시키는 안전한 응용기술로 활용될 수 있을 것이다.
많은 줄기세포 연구자들은 골수 및 지방 줄기세포를 포함한 성체줄기세포의 조직재생 효능 및 안전성이 추가 연구를 통해 확실히 검증된다면 척수손상, 신경질환, 골/연골질환, 심장질환, 피부재생 등 다양한 조직손상 질환에 적용될 수 있을 것으로 전망하고 있다. 그러나 세포 이식 후 생착능이 다소 저하되는 경향이 있으며 이에 따라 치료 효능에 한계가 있다는 보고가 있어 이를 극복하기 위한 응용기술을 개발하는 것이 필요하다.
gov)에서 분석한 Biopolaris 2010년 2월 통계 자료. 이처럼 줄기세포가 임상에 응용되고는 있지만 실질적으로 환자에게 적용될 수 있는 치료제로서 개발될 수 있는 가능성이 있는 세포주들은 아직까지는 극소수이며 이는 보다 효과적이며 안전한 줄기세포 치료제를 생산할 수 있는 응용기술이 필요함을 제시한다.
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