Treatment of Diabetes with Pluripotent Stem Cells 김 재 현 성균관의대 삼성서울병원 내분비대사내과 줄기세포는 성체줄기세포와 배아 혹은 유도만능줄기세포로 대변되는 만능줄기세포 두 가지로 나눌 수 있으며 현재 임상연구 혹은 치료제로 개발된 경우는 성체줄기세포가 대부분이다. 그러나 1998년 Thomson 등이 사람에서 배아줄기세포의 분리 및 배양에 성공하고, 배아줄기세포가 무한 증식이 가능하고 내배엽, 중배엽, 외배엽의 세포로 모두 분화가 가능함을 보고하였다. 이후 배아줄기세포는 당뇨병을 포함한 다양한 난치성 질환을 치료하는 세포치료제의 원천으로 여겨지고 있다. 또한 2007년에 사람의 체세포로부터 특정 유전자를 도입시켜 유도만능줄기세포가 만들어지면서 난자를 사용하는 윤리 문제를 극복하고 환자 자신의 세포로부터 유래하므로 면역거부반응이 적다는 장점이 기대되고 있다. 또한 2014년에는 제1형 당뇨병 환자의 체세포를 이용해 배아줄기세포를 만드는 데 성공 등 희망적인 소식들이 보고되고 있지만, 실제 진료 현장에서 제1형 당뇨병 환자들에게 단지 인슐린 주사와 스트립만을 처방하는 임상의사 관점에서는 아직도 줄기세포 치료가 현실과는 거리가 있게 느껴진다. 따라서 최근 당뇨병 관련 만능줄기세포 연구의 변화와 임상적용 가능성을 알아보고 앞으로 극복해야 할 부분들을 정리해 보고자 한다. 북미와 유럽을 중심으로 몇몇 센터에서 췌도이식의 성적은 5년간 인슐린을 중단하는 비율이 50%에 다다르고 있어서 췌장이식에 버금가는 효능을 보이고 있지만 많은 환자에게 적용하기에는 장기공여자 부족으로 인한 췌도세포의 공급 부족이 가장 큰 제한점이다. 이에 대한 해결책으로 활발히 연구되는 분야는 무한증식이 가능한 만능줄기세포로부터 인슐린분비세포를 분화시켜서 공급하는 것이다. 배아줄기세포 및 역분화만능줄기세포로부터 실험실 조건에서 definitive endoderm, pancreatic endoderm, pancreatic progenitors, endocrine progenitors, insulin producing cells의 단계별로 분화가 가능함이 보고되고 있으나 실험실에서 분화한 인슐린분비세포는 인슐린과 글루카곤이 동시에 염색되고 (polyhormomonal) 포도당에 반응하여 인슐린을 분비하는 능력이 떨어지는 등 미성숙한 태아기의 베타세포와 유사한 성질을 보인다. 또한 실험실에서 분화한 세포를 면역결핍마우스에 이식하면 대부분 글루카곤을 분비하는 α-세포가 되고 도리어 pancreatic endoderm 세포를 면역결핍마우스에 이식하면 이식 후 3-6개월 이후에 β-세포를 포함한 췌장의 모든 세포로 분화되었다. 즉 실험실에서 만능줄기세포에서 인슐린 분비세포로 분화하는 방법은 아직 미성숙한 세포이고 체내에 이식 후 인슐린분비세포로 분화하는데 수개월 시간이 소요되며, 미분화된 만능줄기세포가 함께 이식될 경우 종양형성의 위험성이 있었다. 이를 해결하기 위해 피하에 반투과성 기구를 삽입하여 실험실에서 분화한 세포를 넣어서 3-6개월 이후 α-, β-, somatostatin 분비세포로 각각 분화하고 당뇨병 소동물에서 혈당 조절이 가능함이 보고된 바 있고, 미국에서는 같은 방법을 이용하여 제1형 당뇨병 환자를 대상으로 ViaCyte 회사의 Phase I 연구가 2014년도에 승인되어 제 1형 당뇨병 환자를 대상으로 임상연구가 진행중이다. 또한 2014년도에 Kieffer 등은 분화단계를 7단계로 개선하여 만능줄기세포로부터 최종 분화된 세포가 포도당에 반응하여 인슐린을 분비하고 당뇨마우스에 이식 후 40일 이내에 혈당 조절이 가능하여 좀 더 성숙한 인슐린분비세포로 분화가 가능함을 보고한 바 있다. 같은 시기에 Melton 등도 기존에 비해 분화단계를 개선하여 좀 더 성숙한 인슐린 분비세포 분화에 성공하여 당뇨마우스에 이식 후 1-2개월 이내에 이식 후 혈당이 조절되어 과거에 비해 좀 더 성숙한 세포로 분화가 가능함을 보여주었다. 또한 2016년도 Nature Medicine에는 chemically modified alginate (triazole-thiomorpholine diazoxide (TMTD) alginate) 를 이용한 encapsulation 후 면역억제제 없이 면역반응이 있는 마우스에서 6개월 이상 혈당 조절에 성공하였다. 하지만 당뇨 마우스에 이식시 바로 혈당이 조절되는 췌도세포에 비해서는 아직도 일부 미성숙한 세포로 생각된다. 또한 제 1형 당뇨병 환자 본인의 체세포로부터 iPS를 만들어 거부반응이 없는 베타세포로 분화를 완벽하게 성공했다 하더라도 제 1형 당뇨병 환자들에서 일어나는 자가면역반응 (본인의 iPS로부터 분화된 췌장베타세포를 파괴)을 극복해야 한다. 대부분 면역체계가 결핍되지 않은 마우스에서는 피하에 반투과성 기구를 삽입하여 혹은 복강내 투여하여 1-2개월 이후 면역억제제 없이도 혈당 조절이 가능할 만큼 분화에 성공하였지만 아직 사람에서는 효능이 입증되지 않은 상태이고 자가면역반응이 남아있는 제 1형 당뇨병 환자에서도 면역억제제 사용 없이 가능할지에 대해서는 진행되는 임상연구를 지켜봐야 한다. 한편, Gadue 등은 만능줄기세포에서 definitive endoderm 단계로 분화하여 스스로 증식이 가능하고 종양이 형성되지 않는 내배엽전구세포주를 확립하는 방법을 발표한바 있다. 특이한 점은 내배엽전구세포주로부터 분화한 인슐린분비세포는 포도당 반응성을 보이고 인슐린과 글루카곤이 동시에 염색되지 않고 인슐린만 염색되는 좀 더 성숙한 세포로 분화되었다. 하지만 아직 당뇨마우스에 체내 이식 후 혈당 조절이 가능한지에 대해서도 아직 보고가 되지 않았다. 요약 제1형 당뇨병은 췌도이식의 경험으로 줄기세포를 이용한 세포치료제의 임상 적용에 가장 가까운 분야이며, 최근 10년간 많은 발전을 이루었다. 따라서 만능줄기세포로부터 인슐린분비세포로 분화가 좀 더 개선된다면 공여자 부족 문제가 해결되리라 생각된다. 특히 최근 개선된 분화프로토콜과 micro 혹은 macroencapsulation device 개발로 배아줄기세포로부터 분화된 인슐린 분비세포를 피하에 반투과성 기구에 삽입하여 제1형 당뇨병환자를 치료하는 임상연구가 최근 승인되어 수년내에 임상효과를 판단할 수 있으리라 기대된다. 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