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Korean J Med > Volume 89(5); 2015 > Article
호흡기 질환에서의 중간엽 줄기 세포의 치료

Abstract

Stem cells are undifferentiated cells that are clonal, self-renewing, and can differentiate into multiple cell types (known as potency). Among stem cells, there are embryonal stem cells, induced pluripotent stem cells, mesenchymal stem cells (MSCs), and hematopoietic stem cells. MSCs are fibroblast-like non-hematopoietic stem cells that can differentiate into various tissue types, including bone, muscle, liver, lung, and cartilage. MSCs can be isolated from bone marrow, adipose tissue, placenta, or umbilical cord blood, among other tissues. MSCs are adherent under tissue culture conditions and express several cell surface markers, including CD105, CD73, and CD90. However, MSCs show negative expression for CD45, CD34, CD14, CD11b, CD79α, CD19, and HLA-DR. This article aims to explain the current definition of MSCs, describe therapies for which MSCs may be used, and review recent lung disease clinical trials.

서론

중간엽줄기세포(mesenchymalstemcell)는1968년 Friedenstein에 의해 골수에서 처음 분리되었으며, 조혈모세포(hematopoietic stem cell)와는 달리 fibroblast처럼 생겨 플라스틱 배양 용기에 달라 붙는 성질이 확인되었다[1]. 이후 중간엽 줄기 세포는 제대혈, 태반, 지방 조직, 양수 등 인체의 여러 장기에서 분리되었다[2]. 중간엽 줄기 세포는 타인의 난자를 사용해야 하는 배아 줄기 세포(embryonic stem cell)와는 달리 윤리적 문제에서 자유로우며, 이식 후 면역 거부 반응이 거의 없다. 한편 성체 세포를 거꾸로 되돌려 미분화 상태의 세포로 만든 역분화줄기세포(induced pluripotent stem cell)는 역분화 유도를 위해 레트로바이러스나 렌티바이러스를 이용해야 한다는 단점과 함께 배아 줄기 세포와 유사하게 암 유발 가능성도 있어 현재의 시점에서 환자에게 바로 적용하기에는 한계가 있다[3]. 반면 중간엽 줄기 세포는 비교적 배양하기가 쉽고 많은 양의 세포를 증식시킬 수 있어, 현실적으로 임상에서 가장 먼저 치료제로 시도해 볼 수 있다는 장점이 있다.
이번 글에서는 호흡기 질환에서의 중간엽 줄기 세포의 정의, 치료 효과의 기전 및 임상 시험 내용을 중심으로 최신 지견을 기술하고자 한다.

본론

정의

줄기 세포(Stem cell)는 다음의 세 가지를 특징으로 하는 미분화된 세포로, 첫째 자가 재생(self re-newal)이 가능하며, 둘째 하나의 세포에서 발생한 클론성을 지니며, 셋째 다른 세포나 장기로의 분화가 가능하다[3]. 줄기 세포는 다시 수정란의 발생 초기에 얻게 되는 배아 줄기 세포와 발생 과정 후 발견되는 성체 줄기 세포(adult stem cell)로 나뉜다[4]. 성체 줄기 세포 중 가장 오랫동안 연구되고 골수 이식으로 임상 경험이 비교적 많이 축적된 것이 조혈모세포이다. 조혈모세포가 주로 부유상태(non-adherent)로 있는 세포라면, 중간엽 줄기 세포는 부착성 상태로 있다.
중간엽 줄기 세포는 최소한 다음의 세 가지 조건을 충족하여야 한다(Table 1). 첫째, 배양 용기에 부착되어 증식되어야 한다. 둘째, 특정 세포표면 항원이 발현되거나 발현되지 않아야 한다. 즉, 특정 세포표면 항원으로 CD105, CD73, CD90이 존재하여야 하며, 조혈모세포 항원인 CD45, CD34, CD14, CD11b, CD79α, CD19 또는 HLA-DR 항원 등은 없어야 한다. 셋째, 시험관 내에서 골모세포, 지방세포, 연골모세포로 분화 할 수 있어야 한다 [5]. 중간엽 줄기 세포에는 골수 줄기 세포, 제대혈 줄기 세포, 지방 줄기 세포, 신경 줄기 세포 등이 있다[6].

중간엽 줄기 세포의 치료 기전

정착 및 분화(Engraftment and transdifferentiation)

여러 종류의 중간엽 줄기 세포는 특히 폐 특이적 분화 유도 배지(lung-specific differentiation media)에 노출시 폐포의 상피세포 등 비혈액학적 조직(non-hematopoietic tissues)으로의 분화가 가능한 것으로 알려져 있다[7-9]. 줄기 세포에서 특정 장기로의 분화가 가능하다는 연구 결과가 나오면서 향후 장기 이식을 대체할 수 있을 것이라는 기대도 쏟아져 나왔다. 하지만 중간엽 줄기 세포를 정맥 혹은 기관내 투여 시 실제 폐에서의 정착(engraftment)의 비율이 매우 낮다는 연구 결과가 발표되면서, 투여한 중간엽 줄기 세포가 상피 세포로 직접적으로 재생될 것이라는 소견에 대해서는 다소 회의적인 견해가 우세한 실정이다[10-14].

주변 분비 작용(Paracrine effect)

줄기 세포를 투여 후 생체에서의 정착률이 기대보다 낮은 것으로 밝혀지면서, 주변 분비 작용(paracrine effect)의 중요성이 부각되기 시작하였다. 여기에는 대식 세포 군집 자극 인자(macrophage colony-stimulating factor), 과립성 백혈구 대식 세포 군집 자극 인자(granulocyte-macrophage colony-stimulating factor)와 같은 조혈 세포 사이토카인 및 혈관내피성장인자(vascular endothelial growth factor), 간세포성장인자(Hepatocyte growth factor), TGF-β1를 포함한 성장 인자들, TNFα, IL-1, IL-6와 같은 싸이토카인이 포함되어 있다[15]. 예를 들어 산소가 부족한 상황에서의 줄기 세포 투여는 혈관내피성장인자의 분비를 증가시키고, 이는 다시 내피 세포의 수적 증가 및 사멸 세포의 감소를 각각 유도한다[16]. 즉, 줄기 세포가 손상된 폐를 대체하거나 폐 세포로 직접 분화 재생되기보다는 여러 가지 물질들을 분비하여 궁극적으로는 폐 세포를 각종 손상으로부터 보호한다는 기전이다[13].

면역 조절 작용(Immunomodulatory effect)

줄기 세포 치료로 이식편대숙주병(Graft versus host disease)을 호전 시킬 수 있음이 밝혀진 뒤, 중간엽 줄기 세포의 면역 조절 작용이 학자들의 관심을 끌었다[17]. 중간엽 줄기 세포는 B형 및 T형 림프구, 수상 세포(dendritic cell)를 억제하고, IL-10을 통한 조절 T형 림프구의 촉진 등을 통해 선천 면역 체계(innate immune system)와 적응성 면역 체계(adaptive immune system) 모두에 직접적으로 작용할 수 있다[18]. 이 과정에서 중간엽 줄기 세포 자체가 항원 제시 세포(antigen presenting cell)의 역할도 수행한다. 한편, 줄기 세포는 면역 세포뿐만 아니라 주위의 구조를 구성하는 세포에도 영향을 줄 수 있는 episomal 혹은 microsomal particle을 분비하는 것으로 알려져 있다[14]. 그 외에도 심근 경색, 당뇨병, 중풍 등의 많은 질환에서 증가된 염증 반응이 관찰되며, 줄기 세포 치료가 이 비정상적으로 증가된 염증을 조절하여 이들 질환을 효과적으로 제어할 것으로 예측하고 있다[19].

주요 임상 시험 연구들

중간엽 줄기 세포를 이용하여 각종 난치성 호흡기 질환을 치료하려는 임상 시험 연구는 여전히 부족한 실정이며, 그 치료 효과 또한 만족스럽지 못한 것이 사실이다. 지금까지 수행되어 발표된 각종 임상 시험 연구들을 표 2에 정리하였다.

만성폐쇄성폐질환(COPD)

만성폐쇄성폐질환은 비가역적인 기류 제한을 특징으로 하는 폐질환으로, 만성적인 염증으로 인하여 기도와 폐 실질에 손상이 야기되는 질환이다. 세계적으로 1990년에는 사망원인 6위의 질환이었지만, 2020년에 사망률 3위의 원인 질환이 될 것으로 우려된다[20]. 만성폐쇄성폐질환에서의 첫 줄기 세포 임상 연구는 2009년 브라질에서 시행되었다[21]. 1상 연구로, 동원 가능한 현재의 치료에 호전이 없고 여명이 얼마 남지 않은 환자 4명을 대상으로 하였다. 환자 자신의 골수에서 줄기세포를 채취한 후 바로 정맥을 통해 1회 투여하였으며, 이후 12개월간 추적관찰하였다. 그 결과 줄기 세포 투여에 의한 심각한 부작용은 관찰되지 않았으며, 삶의 질 향상 및 일시적인 폐 기능의 호전도 보였다. 이후 62명의 중등도 및 중증의 만성폐쇄성폐질환 환자를 대상으로 진행된 연구가 발표되었다[22]. 총 6개 기관에서 진행된, 무작위, 맹검 연구로, 월 1회 골수 줄기 세포를 정맥 주사로 총 4회 투여한 뒤 2년간 추적관찰하였다. 연구 중 줄기 세포의 투여와 관련된 심각한 부작용은 없었다. 투여 초기에 C-reactive protein의 감소를 보였으나, 그 외 폐 기능, 삶의 질, 6분 도보 검사, 염증 반응 등의 결과는 대조군과 유의한 차이가 없었다. 그 외에도 소수의 임상 연구들이 진행 중이거나 종료 후 발표를 앞두고 있다[23].

급성호흡곤란증후군

급성호흡곤란증후군은 다양한 원인에 의해 폐포-모세혈관 사이의 투과성이 증가되어 폐포 내에 삼출액이 차고, 여러 가지 염증 반응이 일어나면서 결국 저산소증을 초래하는 임상 증후군이다. 원인 질환에 이환된 지 일주일 이내에 발병하여 흉부방사선 검사상 양측성 폐 침윤이 관찰되며, PaO2/FiO2 비율이 300 mmHg 이하인 경우로 정의한다[24]. 현재까지 발표된 임상 연구는 1건으로, 중국의 한 기관에서 12명의 환자를 대상으로 무작위 배정, 맹검으로 시행되었다[25]. 타인의 지방 줄기 세포를 1회 투여한 뒤 28일간 추적관찰하였다. 다른 질환에서의 연구들과 유사하게 투여와 관련된 부작용은 없었으며, 입원기간, 인공호흡기 제거 기간 등의 임상적인 효과는 뚜렷하지 않았다. 다만 혈청에서 급성 폐 손상의 지표 중 하나인 Surfactant protein D가 투여 5일째 유의하게 감소하는 소견을 보였다.

특발성 폐 섬유화증

특발성 폐 섬유화증은 폐에 국한되며 점차 만성적으로 진행하는 섬유화를 특징으로 하는 희귀 질환이다. 아직까지 이 질환을 호전시키는 것으로 밝혀진 약물 치료는 없으며, 생존율을 높이는 것으로 확인된 치료는 폐 이식이 유일한 실정이다[26,27]. 첫 임상 연구는 그리스의 한 기관에서 총 14명의 심하지 않은 특발성 폐 섬유화증 환자를 대상으로 진행하였다[28]. 지방 줄기 세포를 기관지 내시경을 이용하여 기관지 내로 월 1회, 총 3회 투여한 뒤 12개월간 추적관찰하였다. 투여와 관련된 부작용은 뚜렷하지 않은 반면 임상적인 효능도 기대만큼 뚜렷하지 않았다. 다른 연구는 총 8명의 중등도 이상의 환자를 대상으로 하였으며 타인의 태반 줄기 세포를 정맥 주사하였다[29]. 4명은 저용량으로, 나머지 4명은 고용량으로 투여한 뒤 6개월간 추적관찰한 결과, 줄기 세포의 투여는 일시적이면서 심각하지 않은 부작용을 보였지만 전반적으로는 심각한 문제는 없었다. 하지만 이 연구 또한 임상적 효과가 미미하였다.

결론

중간엽 줄기 세포가 일상적인 임상 진료에 이용되기에는 넘어야 할 장벽들이 아직 많다. 여러 가지 장기 세포로 분화하는 능력의 발견은 향후 장기 이식을 대체할 수 있으리라는 장밋빛 미래도 기대하게 하였다. 그러나 투여한 중간엽 줄기 세포가 곧바로 상피 세포로 재생될 것이라는 예상과는 달리 다소 회의적인 후속 연구들이 발표되면서 현재는 그 기대감이 많이 줄어든 것이 사실이다. 중간엽 줄기 세포의 경우 일반적으로 암 발생의 위험이 적은 것으로 알려져 있지만 장기적인 연구가 더 필요하며, 아직은 증상 완화만이 치료의 큰 부분을 차지하는 난치성 폐 질환에서 보조적인 요법으로 고려해 볼 수 있다.
현재까지 중간엽 줄기 세포를 이용한 임상 시험 결과, 줄기 세포 치료는 비교적 안전한 것으로 나타났지만, 임상적으로 뚜렷한 효과는 보이지 못하였다. 따라서 추후 줄기 세포 이식의 안정성과 유효성의 확립을 위해 대규모 임상 시험이 필요하다.

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Table 1.
Three primary biological criteria for mesenchymal stem cells
Adherence to plastic under tissue culture conditions.
Positive expression of CD105, CD73, and CD90.
Negative expression of CD45, CD34, CD14, CD11b, CD79α, CD19 or HLA-DR.
In vitro differentiation into osteoblasts, adipocytes, and chondroblasts.
Table 2.
Published clinical trials using MSCs in respiratory diseases
Disease Patients Cell type Dose Frequency Route Conclusion Reference
COPD 4 BMMC 30 mL 1 IV No serious S/E 21
More clinical stable condition
62 BM-MSC 1 × 108 4 IV No serious S/E 22
Decreasing CRP, Otherwise non-remarkable
ARDS 12 AD-MSC 1 × 106/kg 1 IV No serious S/E 25
Weak clinical effect
IPF 14 AD-MSC 0.5 × 106/kg 3 EB No serious S/E 28
No clinical effect
8 PD-MSC 1-2 × 106 1 IV Minor and transient acute S/E 29
No clinical effect

COPD, chronic obstructive pulmonary disease; BMMC, bone marrow mononuclear cell; IV, intravenous; S/E, side effect; BM-MSC, bone marrow-derived mesenchymal stem cell; CRP, C-reactive protein; ARDS, acute respiratory distress syndrome; AD-MSC, adipose-derived mesenchymal stem cell; IPF, idiopathic pulmonary fibrosis; EB, endobronchial; PD-MSC, placenta-derived mesenchymal stem cell.

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