15년 차 연구자가 들려주는 알기 쉬운 줄기세포 이야기
안녕하세요.
지난 시리즈를 통해 우리는 줄기세포를 활용해 강력한 치료용 면역 세포(NK세포, T세포)를 만들어내는 기술과 그 가능성을 살펴보았습니다. 이는 줄기세포의 '만능성'을 활용해 새로운 세포를 만들어내는 '직접 대체'의 확장된 개념이라고 할 수 있습니다.
하지만 줄기세포의 치료 효과는, 손상된 세포를 직접 대체하는 역할 외에도, 다양한 생리적 신호를 주변에 전달해 재생을 유도하는 또 다른 중요한 기전을 가지고 있습니다. 최근 수십 년간의 연구는 이 두 가지 기전이 상호 보완적으로 작용함을 보여주고 있습니다.
그중에서도, 줄기세포가 분비하는 아주 작은 '메신저'인 엑소좀(Exosome)은 그동안 우리가 주목했던 것 이상의 역할을 수행하고 있음이 밝혀졌습니다. 엑소좀은 줄기세포의 치료 효과의 중요한 축을 담당하며, 기존 세포 치료의 한계를 극복할 수 있는 차세대 치료제로 주목받고 있습니다.
줄기세포 치료에 대해 처음 듣는 많은 사람들은 이런 장면을 떠올립니다. 손상된 부위로 줄기세포가 이동하고, 그 자리에 정착해 스스로 분화하여 새로운 조직을 만들어내는 모습 말이죠. 마치 줄기세포가 ‘직접’ 손상된 부위를 고쳐주는 것처럼 상상하는 경우가 많습니다. 하지만 과학자들이 수년간의 연구를 통해 밝혀낸 현실은 다소 달랐습니다.
초기의 줄기세포 치료는 ‘세포 대체(Cell Replacement)’ 개념에 기반하고 있었습니다. 손상된 조직에 줄기세포를 직접 이식하고, 이 세포가 살아남아 필요한 세포로 분화하며, 결국 기능을 회복할 것이라는 가정이었죠. 이론적으로는 매우 이상적이었습니다.
하지만 실제 임상시험과 동물 실험 결과는 예상은 달랐습니다. 이식된 줄기세포는 대부분 체내에서 오래 살아남지 못했고, 손상 부위에 안정적으로 자리 잡는 ‘생착률’도 매우 낮았습니다. 몇 시간, 혹은 며칠 내에 사멸하는 경우도 많았습니다.
그런데 놀랍게도, 줄기세포가 오래 생존하지 않았음에도 불구하고 환자의 조직은 점차 회복되었고, 임상적 개선이 관찰되었죠. 과학자들은 의문을 품기 시작했습니다.
“세포가 직접 재생하지 않았는데, 왜 치료 효과가 있는 걸까?”
이 질문은 줄기세포 치료의 효과를 바라보는 새로운 패러다임을 열게 되었습니다. 과학자들은 줄기세포가 직접 손상 조직을 복구하는 것이 아니라, 손상된 조직 ‘주변 환경’에 영향을 주어 회복을 유도한다는 가설을 세웠습니다. 이것이 바로 ‘주변 분비 효과(Paracrine effect)’입니다.
줄기세포는 손상된 조직에 도달한 뒤, 다양한 생리활성 물질들을 주변으로 분비합니다. 이 물질들은 염증을 조절하고, 주변 건강한 세포들의 생존과 재생을 유도하며, 면역 반응을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다. 즉, 줄기세포가 손상된 조직의 주변에서 여러 가지 물질을 분비하여, 기존 세포들이 스스로 재생하도록 돕는다는 것이죠.
이 '주변 분비 물질'이 무엇인지 밝히는 연구가 활발히 진행되었고, 그 결과 엑소좀 (Exosome)이라는 작은 나노 입자가 핵심적인 역할을 한다는 것이 밝혀졌습니다1,2. 엑소좀은 줄기세포가 분비하는 미세소포로, 그 속에는 단백질, RNA, 마이크로 RNA 등 세포 간 신호 전달을 위한 다양한 정보가 담겨 있습니다. 이 작은 입자들이 손상 부위의 세포들을 깨우고, 스스로 재생하도록 지시하는 ‘비밀의 메신저’ 역할을 하고 있었던 것입니다.
그렇다면 엑소좀은 정확히 무엇일까요?
엑소좀은 모든 세포가 분비하는 지질 이중막으로 둘러싸인 나노 크기(30~150nm)의 소포체입니다. 한때 세포의 대사 부산물을 배출하는 용도로만 여겨졌지만, 현재는 세포 간 신호 전달을 매개하는 주요 구조물로 주목받고 있습니다.
엑소좀은 DNA, RNA(특히 microRNA), 단백질, 지질 등 다양한 생체 활성 물질을 포함하고 있으며, 이들은 세포의 상태와 특성을 반영합니다. 이러한 특성으로 인해, 엑소좀은 종종 ‘세포 유래 정보 전달체’로 비유됩니다.
엑소좀은 혈액, 림프, 소변, 타액 등 다양한 체액을 통해 전신을 순환하면서 다른 세포에 영향을 미칠 수 있습니다.
줄기세포가 분비하는 엑소좀은 특정 생물학적 활성을 갖는 분자들을 포함하고 있어, 손상된 조직에 대한 반응에서 관심이 집중되고 있습니다.
줄기세포 유래 엑소좀은 염증을 억제하는 단백질, 세포의 재생을 촉진하는 성장인자, 손상된 세포의 사멸을 막는 microRNA 등을 풍부하게 담고 있습니다. 이 엑소좀이 손상된 조직으로 이동하면, 엑소좀 내부의 '메시지'를 전달하여 주변 세포들이 스스로 염증을 완화하고 재생을 시작하도록 지시합니다.
이러한 작용은 줄기세포를 직접 이식하지 않아도 엑소좀만으로 조직 환경의 변화와 회복을 기대할 수 있음을 시사하며, 치료 패러다임의 새로운 접근 방식으로 연구되고 있습니다.
엑소좀의 발견은 줄기세포 치료의 새로운 가능성을 열었습니다. 엑소좀은 기존 세포 치료의 한계를 극복할 수 있는 여러 장점을 가지고 있기 때문입니다.
엑소좀은 세포 이식 시 발생할 수 있는 부작용, 특히 iPSCs와 같은 만능줄기세포에서 나타날 수 있는 종양 형성(teratoma formation) 위험이 현저히 낮습니다3. 치료 효과를 내는 물질만을 담고 있어, 줄기세포 자체를 투여하는 것보다 훨씬 안전합니다. 이러한 안전성과 효율성 덕분에 엑소좀은 '세포 없는(Cell-Free)' 치료제라는 새로운 개념을 제시하며, 재생의학의 패러다임을 바꾸고 있습니다.
줄기세포는 손상된 세포를 직접 대체하는 것뿐만 아니라, 주변 세포의 회복을 유도하는 조절자 역할을 수행합니다. 이러한 기능이 가능했던 이유 중 하나는, 줄기세포가 다양한 생리활성 물질을 주변 환경에 전달하기 때문입니다. 그리고 그 전달 수단으로 주목받는 것이 바로 엑소좀입니다.
엑소좀은 기존의 줄기세포 치료가 가지고 있던 안전성, 효율성, 경제성 등의 과제에 대응할 수 있는 새로운 접근법으로 연구되고 있습니다. 예를 들어, 엑소좀은 비교적 낮은 면역원성을 가지며, 보관과 운반이 용이하고, 생리활성 물질을 안정적으로 전달할 수 있는 구조적 특성을 지니고 있어, 다양한 임상 적용 가능성이 제시되고 있습니다.
이러한 특성들은 엑소좀이 실제 치료 옵션으로 개발될 수 있는 가능성을 보여주고 있으며, ‘세포 없는 치료(cell-free therapy)’라는 새로운 패러다임을 여는 요소로서 관심을 받고 있습니다.
1 Gnecchi, M., et al. (2005). "Paracrine Action of Mesenchymal Stem Cells in the Heart." Circulation Research, 97(11), 1202-1207. (줄기세포 치료 효과가 주변 분비 효과에 기인한다는 것을 보여준 초기 논문)
2 Timmers, L., et al. (2008). "Low-dose MSC infusion attenuates apoptosis and improves cardiac function in ischemic heart disease." Stem Cell Research, 1(2), 159-166. (이식된 줄기세포의 생존율이 낮음에도 불구하고 치료 효과가 나타나는 현상에 대한 연구)
3 Luan, X., et al. (2017). "Engineering exosomes for therapeutic purposes." Advanced Drug Delivery Reviews, 134, 1-13. (치료 목적으로 엑소좀을 공학적으로 조작하는 기술 및 안전성에 대한 내용)
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