줄기세포 표적항암제 3D printing 장기이식 인공가사상태

줄기세포 한국은 2005년 황우석 사태 이후 침체기 현재 (2017) 첨단재생의료의 지원 및 안전관리에 관한 법률안 제정을 위한 노력 중

인간세포 사람은 체격에 따라 60조에서 100조개 정도의 세포로 이루어져 있으며 각 세포는 모두 동일한 유전자를 가지고 있다. 그러나 각 조직을 이루는 세포들은 활동하는 유전자가 다르게 존재하기 때문에 뼈세포, 혈액세포, 심장세포 등 모양, 기능이 다른 약 200여가지의 세포로 분화되어 있다. 배아줄기세포 : ESC 수정된 후 약 3~4일 후에서 14일 이내 배반포 상태의 세포 덩어리는 모든 종류의 세포로 분화될 잠재력을 가지고 있는 (다능성, pluripotent, P) 배아줄기세포이다. 배아줄기세포주는 배반포기 (포배기,blastocyst) 배아에서 분화직전의 내부세포 덩어리를 떼어 분화를 강제로 멈춘 상태를 말하는 것으로, 이 세포주를 안정적으로 보관하고 다시 분화를 유도하는 기술이 줄기세포 연구의 핵심이다.

체세포복제 방법 황우석 박사, 복제양 돌리

수정란 이용법

Neural stem cell transplantation 줄기세포 : 진행 중인 실험들

복제양 돌리의 생성과정

복제 양 Dolly는?

최초로 클론 된 동물 (포유류)이다.

By Mr. Ian Wilmut

(1997:스코트랜드 로즐린 연구소)

세마리의 양이 필요.

-벨린다 : 핵 제공

-플러피 : 난자 제공

-라시 : 자궁 + 임신

체세포복제 방법의 예

돌리의 genotype은? Nuclear genome vs. Mitochondrial genome

벨린다

플러피

벨린다 : 핵 제공

플러피 : 난자 제공

라시 : 자궁 + 임신

2007년: 원숭이의 복제성공 (미국)과 이종간 핵치환 연구가 진행. 동물난자에서 핵을 제거해도 세포 소기관인 미토콘드리아에는 미량이나마 유전자가 들어있다. 따라서 동물난자로 만든 인간배아에도 동물의 유전자가 약 1%는 들어간다. 생명윤리학계에서는 사람과 동물의 잡종(雜種)이 태어날 가능성을 우려하고 있다.

벨린다 : 핵 제공 (체세포)

벨린다의 유선조직에서 세포를 취함. 세포의 세포주기 (cell cycle)로 진입을 방지하기 위해 영양분을억제하여(-성장 호르몬) 휴지기 (Go) 상태로 만듬.

돌리의 탄생과정

플러피의 난소에서 미수정 난자 체취(+핵제거, 미토콘드리아 DNA는 있음).

플러피 : 난자 제공

전기충격

전기충격으로 유선세포와 빈 난자 (미토콘드리아 DNA는 있음)를 융합. 두번째의 전기충격은 세포분열을 유발.

라시 : 자궁 + 임신

복제양 돌리

돌리

복제양 돌리 • 노화증상 이외엔 정상.

• 1998에 Bonnie를 출산함.

(Bonnie도 정상.)

• 1999에 건강한 세 쌍동이 출산.

• 2003년 2월 노화에 따른 폐질환으로 복제한 지 6년 반 만에 안락사.

• 난자 277개 중에서 유일하게 성공.

**비교: 복제쥐(일)는 노화증상이 보이지 않음.

*당시 3살인 돌리는 9살? Telomere?

1998: 복제 쥐, 일본 1999: 복제 소 영롱이 (귀, 자궁세포), 서울대 2005: 복제 개 SNUppy, 서울대 , 2007 늑대 (이병천, 통계오류,DNA 순서오류)

인간복제?

Human Cloning

•윤리적 문제: •클론 된 개체의 도덕적 지위는? •파괴를 목적으로 인간을 만들 수 있는 것인가? •과학적 목적을 위해 난자를 사용하는 것이 옳은가? •자신의 세포가 복제된 사람의 윤리적 문제는? •치료를 위한다는 클론이, 결국 인간복제의 실마리를 제공하지 않겠는가 ?

성체줄기세포 : ASC (audult stem cell) 성체줄기세포는 조직이나 기관의 분화된 세포들 사이에서 발견되는 미분화 세포로써, 자기 스스로 증식할 수 있으며, 조직이나 기관의 특수한 기능을 가지고 있는 세포로 분화할 수 있는 능력을 가진 신체줄기세포(somatic stem cell)를 말한다.인간의 몸에는 백혈구나 적혈구를 만들어내는 조혈모세포나 피부를 만들어내는 피부줄기세포 등이 몸 곳곳에 존재한다. 이들은 배아줄기세포와 구분해 성체줄기세포라고 한다. 성체줄기세포를 이식할 경우 면역거부 반응이 적다는 장점은 있지만 배아 줄기 세포처럼 전분화능이 있는지는 불분명하며 다능성을 지닌 것으로 알려지고 있다. *한국 카톨릭 : 성체줄기세포 연구 100억 지원 (2005년)

제대혈은행 비용 : 약 100만원 (15년) ~ 400만원 (평생)

iPS 세포의 제조과정

*야마나카 인자 (Yamanaka factor) : 4개의 유전자 (Oct, Sox, Klf, Myc)

유도만능줄기세포 (induced Pluripotent Stem cell, iPS) 역분화줄기세포라고도 하며 체세포 분화과정을 거꾸로 돌려 배아줄기세포와 같은 분화 능력을 가질 수 있도록 인위적으로 만든 줄기세포이다. 체세포에 바이러스를 이용해 야마나카 인자 (Yamanaka factor)라 불리는 4개의 유전자 (Oct, Sox, Klf, Myc) 등을 넣어 만들고 있다. 이렇게 처리된 세포는 유전자의 작용에 의해 초기화가 되어 다능성을 얻고 배양이 가능한 iPS 세포가 된다. 배아줄기세포와 달리 윤리적 논란에서 자유로운 게 큰 장점이나 종양 발생 가능성이 크고 분화 효율이 떨어지며 제조비용이 비싼 점 등이 문제이다.

일본

종교계: 수정된 이후는 생명체다. 과학계: 신경계가 형성 전 단계는 치료목적으로 허용해 달라.

1984년 영국에서 개최된 워르녹 위원회에서 체외수정으로 생기는 모든 배아들에 대해서는 수정된 후 14일째가 되기까지는 출처에 상관없이 연구를 수행할 수 있다고 권고함. 수정 후 약 14일을 넘어서서는 신경계의 시초인 원시 신경선이 나타난다. 하지만 이러한 해석애 대한 논란은 지속되고 있다.

윤리적 논란에서 벗어나려는 시도들 : -배아 줄기세포 난자 만들어 (영, 2005-10-20) 원시생식세포 배양성공 -폐기대상 수정란- 냉동잔여 배반포기 배아(5년경과 폐기용)줄기세포 (한, 마리아생명공학연구소, 박 세필 박사, 차비이오앤) -8배아기에서 세포 한 개 추출 (나머지 7개 세포는 계속 배양

황우석 박사와 인간 배아줄기세포

2004년 NT-1:단 하나의 줄기세포 그리고 역사적 아이러니 2005년 science 발표 11개의 줄기세포 중 10개가 가짜. 나머지 1개는? NT-1에 관한 당시 의견 : 국.내외: 처녀생식법에 의한 줄기세포 (신형두 박사-SNP 분석법에 의함) 이 경우처녀생식에 의한 세포형성으로 과학적 의미 상당히 큼 황우석 팀은 부정 (배아줄기세포 주장)

** 2008년 : 호주 NT-1 특허인정 (체세포 복제 배아줄기세포 인정) ** 2014년 : 미국 NT-1 특허인정, ** 2016년 : 미국 NT유래 신경전구세포 특허인정 *논문은 허위였지만 특허는 인정한 사례 나머지 국가는 윤리적 이유로 거부 (한국 포함) *2016.11 : 한국 : 국가 배아줄기세포로는 등록 (배아줄기세포의 특성을 지닌 점 인정, 세포 제조방식은 명시하지 않고, 단성(처녀)생식에 의한 세포로 등록)

네이처지는 2006년 6월28일 “ (이) 밀라노대의 티지아나 브레비니 박사팀이 기증받은 104개의 난자를 이용해 처녀생식법으로 두 개의 배아줄기세포를 만들었다”고

발표했다. 곤충이나 성게와 같은 하등동물은 자연 상태에서 종종 처녀생식법으로 번식을 한다.

세계 최초 “체세포 목제 “배아줄기세포 나왔다. 박근태 기자 kunta@chosun.com 입력 : 2011.10.06 10:52 (3배수체) 미국 연구팀이 황우석 박사가 사용했던 것과는 다른 방법으로 맞춤형 배 아줄기세포를 만들어 냈다. 2004년 발표된 황 박사팀의 줄기세포(NT-1)는 체세포핵이식이 아니라 우연한 처녀생식으로 만들어졌다는 게 밝혀졌는데,처녀생식은 핵을 제거하지 않은 난자가 충격을 받아 정자가 들어온 것으로 착각해 수정란을 만드는 것이다. 황우석 박사는 2004년 이러한 방법으로 환자 맞춤형 배아줄기세포를 얻는 데 성 공했다고 발표했지만 나중에 결과가 일부 조작된 것으로 판명되었다. 미국 뉴욕 줄기세포재단연구소(New York Stem Cell Foundation Laboratory)의 디터 엘리(Dieter Egli) 박사는 영국의 과학전문지 '네이처(Nature)'에 발표한 연구 논문을 통해 실험지원자의 피부세포의 핵을 채취해 세포핵을 제거하지 않고 그대로 둔 채 기증자의 난자에 주입하는 방법으로 배아줄기세포를 얻는 데 성공했다고 밝힌 것으로 BBC인터넷판 등이 보도했다. 엘리 박사는 난자의 핵을 제거하고 그 자리에 피부세포의 핵을 주입해 만들어진 배아는 배양과정에서 6-12세포 단계를 넘지 못했으며 난자의 세포핵을 그대로 둔 채 만들어진 배아만이 배아줄기세포 채취가 가능한 80-100세포의 포배 단계까지 키울 수 있었다고 밝혔다. 이는 체세포핵이식 방식으로 줄기세포를 만들기 위해서는 난자의 유전물질이 꼭 필요하다는 증거이며 따라서 난자의 핵을 그대로 두어야 한다고 엘리 박사는 말했다 . 체세포핵이식은 바로 1997년 사상최초의 복제양 돌리가 만들어진 방식이다. 그 후 동물실험에서는 이 방식으로 만들어진 배아에서 줄기세포 채취가 가능했으나 인 간세포 실험에서는 좀처럼 성공하기가 어려웠다. 그러나 엘리 박사가 만들어 낸 배아줄기세포는 난자의 염색체 23개에 체세포의 염색체 23쌍(46개) 등 모두 69개의 염색체로 구성된 3배체 염색체를 갖고 있기 때문 에 이를 치료에 이용하기에는 문제가 있다.한 염색체가 3쌍이 있어 발생하는 다운증후군 같은 문제를 일으킬 수 있기 때문 이다. 엘리 박사는 이 맞춤형 배아줄기세포가 치료목적에는 적합지 않지만 이를 만들 어 낼 수 있는 방법을 찾았다는 점에서 한 걸음 발전한 것이라고 자평했다

이직도 못 만들고 있는 제대로 된 체세포복제 배아줄기세포 (인간)

줄기세포 “치료제” 강국 Korea 성체줄기세포 : 재생할 수 있는 기관이 한정적 O 파미셀 (김현수) : 2011년 7월1일 세계 최초의 성체 줄기세포 치료제 개발 심근경색 치료제 O 메디포스트 (오원일) : 세계 2호 줄기세포 치료제 출시 무릎연골 손상 치료 (카티스템) 배아줄기세포 : 만들기 어려움, 재생가능 기관 다양, 윤리적 문제 (난자) O 차바이오텍 : 미국과 공동으로 세계 최초 (환자기증 수정란 사용) 배아줄기세포 치료제 개발 중, 희귀병인 안질환 (스타가르트병, 황반변성증), 세계 시장규모 4조./1년 예상 “황우석 박사가 주장하는 “체세포 복제배아줄기세포는 아직 세계적으로 전무! 최근 3x 제외

한국 줄기세포 치료제 전망

줄기세포, 한국의 히든카드인가?

미국 ACT사 (공동 연구 차바이오텍)는 미국 정부에서 연구를 허용한 배아줄기세포주를 특정한 세포로 분화시켜 현재는 망막색소상피세포로 분화 시켰고 현재 스타가르트병과 노인성 황반변성증에 임상실험 중, 한국은 2012년부터 따로 임상 중 (차바이오텍).

인간 배아줄기세포

배아줄기세포 임상예=차바이오텍 & ACT

뇌성마비 어린이 치료효과 관측 (차바이오텍)

피부조직세포 생체 외 배양을 이용한 화상환자의 치료

관절염치료제 (메디포스트)

배아줄기세포 임상 예

한국-줄기세포 제조 및 치료; 미, 일-세포분화 연구 중점

정상적인 경우 생체 내 암세포를 DNA손상복구 혹은 면역체계 등에 의해 세포자살(apoptosis)등을 유도하여 제거한다. 그러나, 면역체계나 DNA의 손상복구 체계가 정상적으로 작동되지 못하면 암으로 진행된다.

암세포

수호천사 P53 단백질 (cell cycle policeman)

양성종양 : 세포가 조절되지 않고 계속 분열되나 종양이 전이되지 않고 한곳에 머물러 있는 세포들. 악성종양 : 세포가 조절되지 않고 계속 분열되며 주위의 다른 조직에 침범할 수 있는 상태의 세포들.

자궁 폴립은 양성종양 중 하나이며, 혈관덩어리 종양으로 건드리면 출혈이 될 수 있어 성관계 후 출혈이나 불규칙한 출혈 때문에 산부인과를 방문한 환자에게서 발견되기도 한다. 폴립도 양성 종양이라 큰 문제는 없지만 재발 가능성이 많고, 가끔 자궁폴립 주변에 자궁내막암을 동반하는 경우가 있으므로 치료가 필요하다고 한다.

자궁 근종은 자궁의 근육이 비정상적으로 자라난 양성종양으로 출혈, 골반통, 불임, 조산 등의 원인이 될 수 있다 (성악가 조수미).

대장암? 폴립?

한국인 암 생존율 (2013년 기준)

-암 4기 : 악성종양이 원격 전이가 된 경우; 말기암 : 암의 크기가 커지거나 광범위하게 전이되어 항암치료로 더 이상 생명연장과 삶의 질 향상에 기여하지 못하는 시기에서 임종 전. -암 1,2,3기 : 암 종류마다 차이가 있으나 종양의 침범(크기)정도 (Tumor, T), 림프절에 암이 침범한 정도 (Lymph Node, N) 그리고 전이 (Metstasis, M) 정도 따라 구분된다.

사망률 1위, 남 3명 중 1, 여 4명 중 1 발병

*최근 조기에 암 발견 시 10명 중 7명은 완치가 가능!

외과적 수술 방사선 치료 약물치료제(일반항암제와 표적항암제 (=표적치료제) 등)

항암제

일반항암제 : 표적항암제 이전의 항암제로 정상세포와 암세포를 구분하지 못함.

예) 신생혈관 억제제 : 이 경우, 신생혈관이 필요한 암세포처럼 분열이 빠른 다른 세포에는 작용하여 골수, 위장관, 모근세포 등의 정상세포에도 작용한다. 이로 인해 백혈구 감소, 빈혈, 구토, 식욕부진, 탈모 등의 부작용이 나타난다.

표적항암제 (표적치료제) : 표적항암제는 암세포의 성장이나 생존에 관련된 단백질이나 유전자에 특이적으로 작용한다. 일반 항암제 보다 암세포 특이적 (예: 항체-항원, 단백질-리간드 결합 등) 이어서 정상세포에 대한 독성이나 부작용이 기존 항암제보다 현저히 적다. 예) 유방암 치료제 허셉틴, 대장암 및 황반변성 치료제 아바스틴, 백혈병 치료제 글리백 등

대장암

A.단클론 항체 기반 치료제의 일반적 구조 B. 유방암의 암세포 활성화 및 항암 치료제의 작용기전의 예

항체의 끝부분에 방사능, killer세포, 화합물형 약(drug), 면역독소 등을 장착하여 복합적으로 암세포에 작용시킬 수 있다.

HER-2 target 유방암 위암

혈관내피 성장인자

허셉틴

당화(glycosylation)부분의 차이

3D 프린팅의 생체의료분야에의 응용

3D 프린터

3차원 설계도를 바탕으로 프린터 종류에 따라 다양한 소재를 이용하여 입체적인 물체를 만들어 낼 수 있는 기기

4차 산업혁명 : 인공지능, 로봇기술과 생명과학이 주도하는 인간을 중심으로 한 차세대 산업혁명. 그 중 : 3D printing & 소재의 중요성

바이오 프린팅

바이오 물질 (세포 등)을 원하는 형상 또는 패턴으로 적층하여 조작이나 장기를 제작하는 3D 프린팅 기술의 한 분야

피부, 근육, 혈관, 연골과 같이 단순한 조직 프린팅 하여 인체이식 오가노보 (Organovo) : 미국 샌디에고에 위치한 기업으로 간, 피부, 신장 과 같은 신체 조직의 3D 프린팅 기술 최초개발

초기 인공심장 (2015년, (미, 카네기멜론 대학)

바이오 프린팅, 예 (계속)

의약 프린팅 (Pharmaceutical printing) : 소비자가 가정에서 의약품을 제작 (현재는 적층구조, 용량조절 등에 이용)하는 데 사용될 수 있는 3D printing 기술. * 화학물을 제작하는 것은 아니고 성분의 용량, 형태 등을 사용자에 맞게 출력.

*2015년 미국 FDA 스프리탐 (뇌전증 치료제) 승인. 이전까지는 의사가 환자에 맞게 약을 쪼개거나 필요한 양만큼 약물을 투입했으나, 3D프린팅 기술을 활용한 이 약은 환자에 맞춰 정확한 용량 (크기, 기포조절, 용해속도 (방출속도) 조절 가능) 조절이 가능하다.

장기이식의 새로운 패러다임 장기이식

피바디상-2014

장기확보를 위한 새로운 시도들

3D printing

기존의 방법 : 기증

무균돼지

국내: 5/8 마리 6개월 이상 생존

면역결핍돼지

인간화돼지

인공 가사상태(Suspended Animation, anabiosis) 인체를 무의식 상태에서 생체대사가 최소화 혹은 정지된 상태로 유지하는 것으로 외부의 도움에 의해 생명현상을 최소화 시킨 상태

응급환자의 혈액제거—저온의 식염수 대체 (약 10oC) * 뇌손상 없이 2시간 가량 유지 가능 (비교, 정상체온 3~4분) deanimation reanimation *2015 (NGC, 10대 신기술)