울산의대 서울아산병원 의생명과학교실 신동명 · 비뇨의학과 주명수 교수 연구팀은 줄기세포 치료제로 쓰이는 중간배엽 줄기세포가 생착률이 저조할 뿐 아니라 생체 내 이동과 생존을 파악하는 데 한계가 있다는 점에 착안해, 간질성 방광염 전임상 모델을 바탕으로 이식된 중간배엽 줄기세포의 동태와 분자학적 기전을 밝히는 연구를 진행해 생체재료 및 조직공학 분야 저명 학술지인 “Biomaterials (피인용지수 12.479)’ 온라인판에 최근 게재했다.

연구팀은 이식된 줄기세포가 시간에 따라 방광 내에서 어떻게 이동하고 혈관과 상호작용하는 지를 실시간으로 확인하기 위해 ‘2광자 다중색상 생체현미경(two-photon multi color intravital microscopy, 이하 생체 영상 기법)’을 활용했다.

생체 영상 기법을 바탕으로 이식된 줄기세포의 동태를 영상으로 획득한 뒤 이를 3차원으로 정량화하는 기술을 확보했으며, 더 나아가 생착된 줄기세포를 고순도로 분리하고 단일세포 발현체 분석을 거쳐 생착과 관련된 핵심 유전자를 발굴하는 데까지 성공했다.

연구팀은 줄기세포 치료 시 이식된 줄기세포의 동태를 확인하기 위해 면역이 결핍된 간질성 방광염 쥐의 방광 안에 녹색 형광 단백질을 안정적으로 발현해내는 줄기세포를 직접 이식했다. 또 혈관의 윤곽을 나타내 보이기 위해 적색 덱스트란을 눈에 주입했다. 이후 생체 영상 기법을 이용해 이식 3일째부터 28일째까지 이식된 줄기세포와 혈관을 실시간 관찰했으며, 획득한 영상을 3차원 이미지로 구현해 이식한 줄기세포와 혈관과의 거리, 혈관과 닿는 면적, 줄기세포의 수·부피·구형 등을 정량화 했다.

이식 초기인 3~5일째까지는 줄기세포가 방광 내 혈관과 먼 거리에서 비균질적인 분포로 관찰됐고 7일 이후부터는 그 수가 점차 감소한 것으로 나타났다. 생착된 줄기세포들은 대부분 산소와 영양분을 공급하는 유효 혈류 근처에서 확인됐다. 14일째부터는 이식한 줄기세포가 혈관 주위 세포로 국소화하는 모습이 명확히 관찰됐다. 이처럼 줄기세포들이 혈관 주위 세포로 분화되는 점은 방광조직 면역 염색을 통해서도 확인됐다.

연구팀은 더 나아가 줄기세포 치료 시 이식된 줄기세포의 분자학적 특징을 확인하기 위해 녹색 형광 단백질을 발현하는 줄기세포를 이식한 다음 줄기세포를 2단계 고순도 세포 분리법으로 분리하고 단일세포 발현체 분석을 진행했다.

확보한 단일세포 발현체를 대상으로 마이크로어레이(DNA 조각들을 사용해 각기 다른 유전자의 발현 정도를 한 번에 파악하는 실험)를 시행하고 이식하지 않은 줄기세포와 유전자 네트워크를 비교분석한 결과, 세포부착과 세포외기질 재구성, 세포주기에 관련된 신호기전이 활성화된 점을 파악할 수 있었다.

연구팀은 활성화되어 있는 기전 가운데 생착률 조절 유전자인 FOS와 CDK1(사이클린 의존성 키나아제-1)을 발굴해낸 뒤 유전자들의 기능을 억제한 중간배엽줄기세포를 제작해 실험관 및 생체 내 실험을 진행했다. 이후 간질성 방광염 쥐 모델의 방광 기능평가 및 조직검사를 통해 생체 내 치료효능을 결정하는 줄기세포의 이동능, 증식능, 항염증 기능 등이 감소한 사실을 확인함에 따라 FOS와 CDK1이 기능성과 생착률을 증진시키는 핵심 유전자임을 밝혀냈다.

신동명 울산의대 서울아산병원 의생명과학교실 교수는 “이번 연구를 통해 줄기세포 치료 시 살아있는 생체 내에서 줄기세포의 생착과 동태를 실시간으로 관찰하고, 생착된 줄기세포의 고순도 분리를 통해 생착률 증진인자를 발굴해내는 기술을 확보했다. 이 기술을 바탕으로 고도화된 줄기세포 치료제를 개발한다면 난치성 질환을 치료할 수 있는 가능성도 높아질 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 한국보건산업진흥원 첨단재생의료기술개발사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 선도연구센터지원사업의 지원을 받아 진행됐다.