15년 차 연구자가 들려주는 알기 쉬운 줄기세포 이야기
앞선 두 편의 글에서 우리는 노화가 어떻게 세포와 유전자의 수준에서 진행되는지를 살펴보았습니다.
DNA가 손상되고, 텔로미어가 짧아지며, 에너지를 생산하는 미토콘드리아가 제 기능을 잃고, 노화된 세포들이 축적되는 일련의 변화들, 이 모든 과정이 우리 몸의 시간 흐름을 가속화합니다.
그렇다면, 이 시계를 되돌릴 수는 없을까요?
최근 연구에서는 노화의 속도를 늦추거나 되감으려는 시도들이 활발히 진행되고 있으며, 그중 하나가 줄기세포를 이용한 연구입니다. 줄기세포는 손상된 조직을 복구하고 새로운 세포로 분화할 수 있는 능력을 지닌 만큼, 노화로 인해 약해진 생체 기능을 회복하는 열쇠로 주목받고 있습니다.
이번 글에서는 줄기세포가 어떻게 노화의 다양한 메커니즘과 상호작용하며, 수명 연장이 아닌 ‘건강한 수명’의 연장에 기여할 수 있는지, 그 과학적 기반과 전략들을 함께 알아보도록 하겠습니다.
우리 몸의 노화는 '재생 능력'이 떨어지는 것과 연관이 있습니. 나이가 들면 줄기세포 자체도 늙고 지쳐서 제 역할을 잘 못 하게 되는데, 과학자들은 이 노화된 줄기세포들의 잠자고 있던 잠재력을 다시 일깨우기 위한 다양한 방법들을 탐색하고 있습니다. 마치 오래된 기계의 성능을 다시 최적화하는 것처럼 말입니다.
오래전부터 과학계를 매료시켰던 실험이 있습니다. 바로 '병체 결합(Parabiosis)'이라는 독특한 연구인데요, 이는 늙은 쥐와 젊은 쥐의 피부를 외과적으로 연결하여 혈액을 공유하게 만드는 실험입니다. 이 실험 결과는 실로 놀라웠습니다. 젊은 쥐의 혈액을 공유한 늙은 쥐의 뇌, 간, 근육 등 여러 장기에서 '젊어지는' 현상이 관찰된 겁니다1.
특히 노화로 지쳐있던 줄기세포들이 다시 활력을 되찾고, 재생 능력이 향상되는 모습까지 포착되었죠. 이는 젊은 혈액 속에 늙은 세포를 젊게 만드는 '젊음의 인자(youth factors)'가 존재한다는 증거가 되었습니다. GDF11과 같은 특정 단백질들이 이러한 '젊음의 인자'로 지목되면서, 이를 활용한 치료제 개발 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
물론 사람에게 젊은 피를 직접 수혈하는 방식은 윤리적, 현실적 제약이 따르지만, 이 연구는 우리 몸의 '시스템 환경'이 줄기세포의 활력과 젊음을 결정하는 데 얼마나 중요한 역할을 하는지 통찰을 제공했습니다.
줄기세포는 결코 홀로 존재하지 않습니다. 이들은 주변 환경, 즉 '줄기세포 미세환경(Stem Cell Niche)'의 영향을 받아 자신의 기능을 조절합니다. 젊은 미세환경은 줄기세포에게 활발한 분열과 재생을 독려하는 반면, 노화된 미세환경은 변질되어 줄기세포에 부정적인 신호를 보내거나 심지어 기능을 억제합니다.
따라서 과학자들은 늙은 줄기세포 자체를 직접 조작하기보다는, 줄기세포가 살고 있는 '둥지'를 젊게 만드는 방법을 연구하고 있습니다. 노화된 미세환경의 유해 물질을 제거하거나, 젊은 미세환경을 구성하는 세포 외 기질(ECM) 및 지지 세포들을 개선하는 방식이죠.
이러한 접근을 통해 줄기세포의 '둥지'를 젊게 만들면, 그 안에 있는 노화된 줄기세포들도 다시 활력을 되찾아 재생 능력이 향상될 수 있다는 연구 결과들이 보고되고 있습니다2. 이는 줄기세포의 타고난 능력만큼이나 주변 환경 중요하다는 점을 강조합니다.
성체 세포를 다시 초기 상태로 되돌리는 기술, 즉 유도만능줄기세포(iPSCs)에 대해 앞서 다룬 내용을 기억하실 것입니다. 이 iPSCs 기술은 노화 연구에서도 혁신적인 잠재력을 보여주고 있습니다.
특히 주목할 점은, 이미 노화가 진행된 세포조차도 젊은 상태로 '재설정'할 수 있는 가능성이 열렸다는 것입니다.
이는 노화된 세포의 기능을 회복시켜 생체 조직을 보다 건강하게 유지할 수 있는 새로운 전략으로, 향후 재생의학과 노화 치료의 패러다임을 바꿀 기술로 평가되고 있습니다.
iPSCs 기술은 성체 세포를 초기화하여, 다양한 세포 유형으로 다시 분화할 수 있는 ‘만능 세포’ 상태로 되돌리는 기술입니다. 하지만 이처럼 초기 상태로 되돌린 세포는 높은 증식력과 조절되지 않은 분화 가능성을 가지기 때문에, 종양 형성 위험(tumorigenicity)이 존재합니다.
이러한 한계를 극복하기 위해, 과학자들은 보다 정밀하고 안전한 접근법을 모색해 왔습니다. 그중 하나가 바로 ‘부분적 역분화(Partial Reprogramming)’입니다.
이 기술은 야마나카 4인자(Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc)로 알려진 유전자를 일정 시간 동안만 제한적으로 발현시켜, 세포의 노화 관련 분자 지표(예: 텔로미어 단축, 후성유전적 변화 등)는 되돌리되, 세포가 가진 원래의 정체성은 유지하는 방식입니다. 예를 들어, 피부 세포는 피부 세포로서의 특징을 그대로 지닌 채, 보다 ‘젊은’ 상태로 되돌아갑니다.
이 접근은 마치 컴퓨터를 완전히 포맷하는 대신, 성능을 개선하는 ‘부분 복원’에 비유할 수 있습니다. 즉, 암 발생과 같은 위험 요소는 줄이면서도, 노화 지표를 젊게 되돌리는 효과는 유지하는 정교하고 유망한 방법으로 평가받고 있습니다.
부분적 역분화 기술은 현재까지의 연구에서 주목할 만한 과학적 결과들을 보여주고 있습니다.
이러한 연구들은 줄기세포 기반의 역노화 전략이 인간에게도 적용될 수 있는 가능성을 보여주고 있습니다. 아직 임상 적용까지는 해결해야 할 과제가 많지만, 세포 수준에서 ‘시간을 되돌리는’ 개념이 점차 과학적 근거를 갖춘 현실적인 접근으로 자리 잡아가고 있는 것입니다.
줄기세포의 활력을 회복시키거나 세포 자체를 ‘젊게 되돌리는’ 접근 외에도, 최근에는 ‘젊고 건강한 줄기세포’ 또는 줄기세포로부터 분화된 세포를 직접 체내에 주입해 손상 부위를 복원하는 연구들이 진행되고 있습니다.
쉽게 말해, 노화로 기능이 저하된 장기나 조직을 새로운 세포로 '수리'하거나 '교체'하는 방식입니다.
신경세포는 한 번 손상되면 거의 재생되지 않기 때문에, 파킨슨병·알츠하이머병·루게릭병 등 노화 관련 신경퇴행성 질환은 치료가 특히 어렵습니다.
하지만 줄기세포 이식은 여기에 새로운 희망을 던져주고 있습니다.
예를 들어, 파킨슨병 환자에게 건강한 줄기세포(혹은 줄기세포에서 분화시킨 도파민 분비 신경세포)를 이식하여 뇌의 손상된 부위에 새로운 기능을 부여하려는 연구 연구가 진행 중입니다6. 알츠하이머병에서도 줄기세포 이식을 통해 손상된 뇌 기능을 부분적으로 회복시키고, 뇌 내 염증 반응을 줄이는 등의 효과를 기대하는 연구들이 주목받고 있습니다.
아직은 임상 초기 단계지만, 뇌와 같이 복잡하고 중요한 장기의 손상도 줄기세포로 복구될 수 있다는 가능성을 보여주고 있습니다.
줄기세포 이식은 뇌뿐 아니라, 심혈관 질환, 관절 질환, 당뇨병 등 다양한 만성 노화 질환에서도 가능성을 보이고 있습니다.
이처럼 줄기세포 이식은 노화로 인해 기능이 저하되거나 망가진 장기와 조직을 직접적으로 수리하거나 대체하는 방식으로, 건강 수명을 연장하고 삶의 질을 향상시키는 재생의학적 접근 중 하나로 주목받고 있습니다.
앞서 살펴본 세포 노화(Cellular Senescence)는, 세포가 더 이상 분열하지 않고 주변 환경에 부정적인 영향을 미치는 상태를 말합니다. 이러한 노화 세포는 염증 반응과 조직 손상을 유발하며 노화를 가속화하고, 줄기세포의 기능 저하에도 관여합니다.
최근 연구들은 이 노화 세포를 제거하거나, 그 유해한 영향을 줄이는 방식으로 노화 늦추고 줄기세포 기능을 회복하는 방법에 주목하고 있습니다.
세놀리틱스(Senolytics)는 이름 그대로 '노화 세포(senescent cell)를 죽이는(lytic) 약물'을 말합니다. 이 약물들은 노화된 세포에만 특이적으로 나타나는 생화학적 특징을 이용하여, 노화 세포만을 선택적으로 사멸시킵니다. 대표적인 세놀리틱스로는 항암제로 사용되던 다사티닙(Dasatinib)과 천연 플라보노이드인 퀘르세틴(Quercetin)의 조합, 또는 피세틴(Fisetin) 등이 연구되고 있습니다.
동물 실험에서 이 약물들을 투여했더니, 노화된 조직에서 노화 세포의 수가 확연히 줄어들고, 염증이 감소하며, 건강 수명까지 연장되는 놀라운 결과가 나타났습니다9. 노화 세포들이 사라지면서 주변의 건강한 세포들과 줄기세포들이 다시 활력을 되찾아 재생 능력이 향상되는 거죠.
세놀리틱스가 노화 세포를 '죽이는' 약물이라면, 세노모픽스(Senomorphics)는 노화 세포를 '교정'하는 약물이라고 할 수 있습니다. 이 약물들은 노화 세포 자체는 죽이지 않지만, 노화 세포에서 분비되는 유해한 물질(Senescence-Associated Secretory Phenotype, SASP)의 분비를 억제하여, 노화 세포가 주변에 미치는 악영향을 줄여줍니다.
즉, '좀비 세포'를 완전히 없애지는 못하더라도, 세포 외 환경의 손상을 줄여 다른 건강한 세포들의 기능을 보호할 수 있습니다. 세놀리틱스와 세노모픽스 모두 세포 손상을 최소화하면서 노화의 부정적 영향을 단계적으로 완화하는 보완적 접근으로 평가받고 있습니다.
노화 세포를 제거하거나 그 유해한 영향을 무력화시키는 전략이 줄기세포 노화에 중요한 이유는 명확합니다. 줄기세포 고갈의 주요 원인 중 하나가 바로 주변에 축적된 노화 세포에서 분비되는 SASP 때문입니다.
이러한 스트레스성 환경이 제거되면, 줄기세포는
줄기세포는 노화된 우리 몸의 '시간'을 되돌리고 '건강 수명'을 연장하기 위한 방법으로 떠오르고 있습니다. 젊은 혈액 인자를 통한 노화된 줄기세포의 활성화, 유도만능줄기세포를 이용한 부분적 역분화로 세포를 '젊게 재설정'하는 마법, 손상된 장기에 건강한 줄기세포를 이식하여 기능을 회복시키는 치료법, 그리고 노화 세포라는 '좀비'들을 솎아내는 세놀리틱스 전략까지.
이 모든 연구는 노화가 더 이상 피할 수 없는 운명이 아니라, 과학적으로 조절 가능하고 심지어 역전시킬 수 있는 생물학적 과정이라는 희망을 제시합니다.
줄기세포 기반의 역노화 전략은 아직 초기 단계에 있지만, 그 발전 속도는 놀랍습니다. 물론 안전성 확보, 대규모 적용, 복잡한 윤리적 문제 등 넘어야 할 산들이 많습니다. 하지만 노화의 근본 원리를 이해하고, 줄기세포의 타고난 재생력을 활용하여 병든 세포를 바꾸고, 망가진 시스템을 고치는 이 모든 시도들은 인류가 꿈꿔왔던 '젊고 건강하게 오래 사는' 미래를 현실로 만들 청사진을 제시하고 있습니다.
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3. Ocampo, A., et al. (2016). In vivo amelioration of age-associated hallmarks by partial reprogramming in mice. *Cell*, 167(7), 1719-1733.e12.
4. Ocampo, A., et al. (2016). In vivo amelioration of age-associated hallmarks by partial reprogramming in mice. *Cell*, 167(7), 1719-1733.e12.
5. Gill, D., et al. (2022). Multi-omic rejuvenation of human cells by partial reprogramming. *Nature Aging*, 2(5), 382-395.
6. Kordower, J. H., et al. (2019). Clinical trials of stem cells for Parkinson's disease. *Annals of Neurology*, 86(3), 434-447.
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