류마티스성 질환, 특히 기존 치료에 반응하지 않는 rheumatoid arthritis (RA) 환자나 또는 퇴행성손상을 가져 더 이상 치료방법이 없는 osteoarthritis (OA) 환자에게 Mesenchymal stem cells (MSCs)를 통한 치료는 커다란 기대를 모으고 있다. RA 또는 OA에 대한 MSCs 치료는 많은 전임상 연구가 진행 되어 왔고, 사람을 대상으로 한 안전성과 효능 검증이 이루어 지고 있다. 조직재생에 있어 MSCs 사용되는 치료의 기본 원리는 MSCs의 paracrine activity에 의한 것이다. MSCs가 분비하는 다양한 영양인자들(trophic factors)은 조직손상을 줄여주고 더 이상의 조직손상을 막아주며, 조직의 재생 또한 도울 수 있다. 하지만 in vivo test에 관한 철저한 검증은 아직 미미하며, 이 review 논문에서는 류마티스성 질환을 대상으로한 MSC 치료, 특히 살아있는 MSCs의 주입보다 치료제로서 이점이 많을 것으로 생각되는 MSC secretome에 대해 다루려고 한다.

MSCs는 자기재생능과 분화능을 가진 성체줄기 세포이며 크게 골수 유래(BM-MSCs)와 지방조직 유래(ASCs)로 구분되어 지나, 실제로는 모든 조직에 존재하는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 MSCs는 세포 표면에 CD73, CD90, CD105를 발현하고 CD11b, CD14, CD34, CD45등은 발현하지 않는 특징을 가지고 있다. MSCs는 상당한 양의 각종 cytokines, chemokines, growth factors 등을 분비하여 다른 세포들에 영향을 미침으로써 기능하게 된다. 예를 들어, MCSs는 골수에서 osteoblasts와 함께 실질 조직을 구성하며 조혈모세포(HSCs)의 생존, 증식 및 분화를 조절한다. MSCs는 조직 재생에도 관여하여 조직손상 시 손상을 완화시키고 섬유화와 세포사멸을 억제하며, 혈관생성을 촉진하고, 주변 줄기세포를 모으며, 면역반응을 억제한다.

성체 MSCs의 종류 중에서는 BM-MSCs와 ASCs가 가장 잘 알려져 있다. 최근에는 MSCs가 분비하는 여러 영양인자의 다양한 기능에 초점을 맞춰 각종 조직 재생을 촉진하는 국소 또는 전신 주입에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. BM-MSCs와 ASCs의 차이점은 분비되는 cytokine의 종류에 있다. ASCs는 주로 VEGF, HGF, bFGF, Ang-1, Ang-2, PDGF와 같은 혈관생성에 관계되는 물질들을 생산하며, 이 같은 특징으로 인해 심혈관질환에 응용되는 경우가 많다. 또한 ASCs는 신경재생에 있어서도 탁월한 효과가 있는데 이는 ASCs가 분비하는 BDNF, NGF 또는 GDNF 같은 신경재생인자에 기인한다. 아울러 BM-MSCs와 ASCs의 면역조절능은 조직의 재생에 있어서 중요한 역할을 한다. 따라서 MSC를 이용한 치료에 있어서 가장 좋은 전략은 각각의 특징과 목적에 맞는 세포를 선택하는 것이다.

류마티스 질환에 있어서 MSC의 투여 경로는 그것이 전신성인지 국소적인지에 따라 달라진다. 여러 관절이 영향을 받는 RA의 경우에는 혈관을 통한 투여가 적절하며, 반대로 특정 관절에 국한된 경우에는 국소 투여를 진행해야 할 것이다.

1. 골관절염 치료를 위한 MSCs의 국소 투여

OA의 연골재생에 있어서 MSCs의 국소 주입은 많은 연구를 통해 그 효과가 입증되고 있다. MSCs의 소스에 상관없이 MSCs에 의해 분비되는 여러 인자들이 chondrocytes의 연골기질 생성을 촉진시키는 것으로 알려져 있지만 그 정확한 기작은 아직 연구중이다. 다만 최근 연구에서 ASCs가 생산하는 단백질들이 OA chondrocytes의 세포사멸과 퇴행을 억제한다는 것이 밝혀졌다. Chondrocytes를 ASCs와 혼합 배양했을 때 몇몇 염증관련 cytokines가 downregulation 되는 것으로 보아 ASCs가 이러한 염증 물질을 억제함으로써 효과를 나타내는 것으로 보인다.
BM-MSCs 또는 ASCs를 관절에 국소적으로 주입하는 것은 다양한 효과를 나타낸다. 즉 osteophyte 형성 억제, 활액막의 염증반응 저해, 연골 퇴행 및 chondrocytes 세포 사멸 억제, chondrocyte 증식 촉진 등이 이에 해당한다. 최근 이란에서 시행된 임상 1상 연구에서는 6명의 환자를 대상으로 자가 BM-MSCs를 관절에 주입했을 때 안전성에 문제가 없었으며, 통증 완화와 무릎 관절의 기능 향상을 나타냈음을 보고하였다. 특히 MRI 소견 상 3명의 환자에서 연골의 두께가 증가하였으며 연골하 부종이 경감되었음을 나타냈다. 이러한 결과들은 MSCs의 연골 보호 및 재생 효과를 입증하는 것이다.

2. 류마티스성 관절염 치료를 위한 MSCs의 전신 투여

MSCs를 자가면역 및 염증성 질환 치료에 응용하는 것은 수년동안 연구되고 있다. RA의 murine model에서 BM-MSCs의 혈관내 주입은 관절염의 발생을 억제하였으며 심지어 발병 후에 임상증상을 회복시키는 결과를 나타내었다. 이는 염증관련 cytokines의 억제에 의한 것으로 사료된다. 이러한 BM-MSCs의 면역조절 기능은 주입 시기와 연관이 있는데 두번의 주입을 day 18과 day 24에 했을 때만 효과를 나타내었다. 최근 연구에서 TNF-α 억제제와 병용했을 때 MSCs의 염증억제 효과가 배가됨을 보고하였고, 이는 이전 연구에서 TNF-α가 MSCs의 효과를 떨어뜨린다는 것과 일치하는 결과이다. 하지만 몇몇 보고에서는 특별한 효과를 나타내지 않은 경우도 있었으므로 좀 더 많은 연구가 필요할 것이다.

1. Extracellular vesicles의 생합성 및 특성

Extracellular vesicles은 거의 모든 세포에서 세포 외부로 방출하고 있으며 오랫동안 세포의 찌꺼기라고 여겨져 왔다. 그것은 많은 단백질, 지질, RNA 등이 인지질 이중막으로 감싸져 있는 형태로, 크기에 따라 exosomes (30~120nm), microparticles (100nm~1um), apoptotic bodies (1~5um) 등으로 분류된다.

2. Extracellular vesicles의 분리 및 함유 단백질의 특징

Extracellular vesicles를 분리하기 위해서는 주로 ultracentrifugation, ultrafiltration, magnetic beads와 항체를 이용한 immunoprecipitation 방법들이 이용되고 있으나, 아직까지 표준화된 방법이 정해져 있지는 않다. 또한 내부의 단백질, RNA, 지질 등의 특성을 파악하기 위해서 western blot, FACS, proteomic analyses 등이 이용되고 있다. 최근에는 high-throughput 연구로 다양한 세포 및 체액에서 extracellular vesicles 내에 있는 수천종의 단백질 및 RNA 등이 밝혀지기도 하였다. 하지만 Extracellular vesicles의 기능 및 특성을 이해하기 위해서는 더욱 많은 연구가 요구된다.

3. MSCs가 분비하는 extracellular vesicles의 생물학적 역할

Extracellular vesicles는 조직 재생에 있어 세포와 세포 사이의 crosstalk에 필수적인 요소이며, 재생의학에서 MSCs의 paracrine이 그 역할을 하는 것으로 알려져 있다. MSCs에서 paracrine의 역할은 돼지나 햄스터의 심근경색 모델에서 conditioned media를 직접 주입했을 때 심장근육의 재생효과를 나타낸 것으로 입증되었다. 또한 MSCs 유래 extracellular vesicles은 혈관 내피세포의 증식을 통한 혈관 및 모세혈관 형성 촉진에도 관여하는 것으로 나타났다. 다른 연구에서는 신장손상에서 세포사멸, 섬유화, 림프구 침윤, 관형 위축 등을 감소시키며, 반대로 신세뇨관 내피세포 증식을 유도하여 신장 조직의 회복을 촉진시키는 것이 보고 되었다. 간 관련해서는 MSCs 유래 exosomes이 collagen I 과 III의 침착, TGF-ß1의 발현 및 Smad2의 인산화를 억제하여 간 섬유화를 방지하는 역할을 하는 것이 보고 되기도 하였다. 비록 MSCs 유래 extracellular vesicles이 류마티스 질환에 어떤 역할을 하는지는 아직 명확하지 않으나, 그것의 섬유화, 세포사멸, 염증 억제 및 조직 재생 촉진 능력으로 볼 때 류마티스 질환의 개선에도 역할을 할 것으로 사료된다.

지난 수십년동안 MSC를 각종 질환에 이용하려는 연구가 활발히 진행되었고 상당한 성과도 거두었다. MSC는 일반적으로 안전한 것으로 알려져 있으나 살아있는 줄기세포를 사용하는 것에 대한 우려가 있는 것도 사실이다. 이러한 관점에서 extracellular vesicles를 이용할 수 있다면 안전성 측면에서의 문제점을 상당 부분 해결할 수 있을 것으로 보이며, 그러기 위해서는 더 많은 연구가 필요할 것이다.