산소농도 조절로 줄기세포를 효율적으로 혈관으로 분화시키는 방법과 기전 규명
- 줄기세포를 치료에 사용하기 위해서는 원하는 특정 세포로 대량 분화시키는 것이 중요
- 저산소 환경이 줄기세포를 안전하고 용이하게 원하는 특정 세포로 대량 분화할 수 있는데 큰 도움이 되는 것으로 나타나

이세원, 김효수 교수(서울대학교병원 순환기내과) 연구팀은 마우스 배아줄기세포 (mESC)를 저산소상태 (hypoxia)에서 일정 시간 노출시킨 후에 분화를 시키면 혈관분화가 현저하게 촉진된다는 것과, 그 조절 메커니즘을 처음으로 밝혔다.

저산소 미세환경 (hypoxic microenvironment)은 정상적인 배아 발생과정(embryonic development)에서 중요한 미세환경으로 혈관 발생에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 또한 생체 내 줄기세포는 산소농도가 낮은 저산소 환경에서 존재하는 것도 알려져 있다. 이러한 이유로 저산소 조건에서 줄기세포의 특성에 대한 연구들은 많이 진행되어 왔으나, 저산소 미세환경이 줄기세포의 분화를 억제시킨다는 결과와 촉진시킨다는 상반된 결과가 함께 보고되어 학계에 논란이 있었다.

연구팀은 ‘저산소상태’ 라는 미세환경을 이용하여, 줄기세포의 특성을 조절할 수 있는 기전을 찾기 위해 마우스 배아줄기세포를 배상체 (embryoid body)형태로 만들고, ‘저산소상태’에서 일정 시간 노출시켰더니 중내배엽 (meso-endoderm)으로 분화하는 방향성을 가졌으며, ‘정상산소상태’에서 배양된 배상체에 비해 혈관 세포로 현저하게 분화가 촉진됨을 입증 하였다.

또한, 연구팀은 생쥐의 다리에 혈액이 통하지 않게 해 괴사 부위를 만든 뒤 3군으로 나누어 괴사 부위에 식염수, 정상산소 배상체, 저산소 배상체를 각각 주입했다. 그 결과 정상 다리의 혈류량에 비해 식염수만 주입한 군의 괴사된 다리에서는 정상 혈류량의 8.6% 혈류량을 보였으며 정상산소 배상체 주입군에서는 22.2% 혈류량을 회복하는데 그쳤다. 그러나 저산소 배상체 주입군에서는 60.8% 혈류량으로 회복되었다. 즉 저산소 배상체를 주입한 군에서 상처 부위에 혈류량이 늘고, 주입한 배상체가 혈관으로의 분화가 촉진됨을 확인하였다.  (그림참조: 그림에서 노란색 화살표로 표기한 다리부분에서, 저산소 배상체 이식군에서는 혈관생성이 회복됨에 따라 혈류량이 늘어 붉은색 이미지로 나타남.)

이세원 교수는 '줄기세포를 치료에 사용하기 위해서는 우리가 원하는 특정 세포로 대량 분화시키는 것이 중요하다. 이렇게 원하는 세포로 대량 분화시키기 위해서 이종으로부터 획득한 증식？분화유도 활성인자를 넣어주거나 유전자 조작 등을 하는데, 저산소 조건을 적절히 활용한다면 더욱 안전하고 용이하게 분화속도 및 분화방향을 조절할 수 있을 것으로 기대한다.” 라며 “하지만 이번 결과는 마우스 배아줄기세포에서 얻은 결과이므로, 사람에게 적용하기 위해서는 심화연구가 필요할 것이다.”라고 전했다.이 연구는 세계적인 학술지인 ‘EMBO molecular medicine (인용지수 10.33)’에 게재될 예정이며, 이에 앞서 7월 23일 인터넷판에 먼저 공개되었다.

  본 연구는 보건복지부지정 선도형특성화 연구사업, 교육과학기술부 줄기세포선도연구사업, 교육과학기술부 일반연구자지원사업의 지원으로 수행되었다.

 

[보충설명]
1. 저산소상태 (hypoxia): 우리가 살고 있는 정상 산소조건은 산소가 21% 정도인데, 이보다 낮은 산소농도 상태를 저산소 상태라 칭함. 본 연구에서는 1% 산소농도를 사용하여 실험을 진행함.

2. 배상체 (Embryoid Body): 줄기세포에서 유래한 세포의 군집(aggregate)으로써, 3차원 형태의 구형구체 (spheroid) 형태를 나타냄.

3. 중내배엽(meso-endoderm): 배아가 발생하는 과정에서, 세포 분열을 거듭하여 생기는 세포층을 배엽 (germ layer)이라고 하며, 외배엽 (ectoderm), 중배엽 (mesoderm), 내배엽(endoderm)의 삼배엽으로 나뉨. 각각의 배엽에서 특정한 기관이 만들어지며, 예로써 외배엽에서는 신경계가, 중배엽에서는 골격, 혈관계 등이, 내배엽에서는 소화기관 등이 발생함. 배아줄기세포는 이러한 삼배엽으로 분화될 수 있는 특성을 지님. 본 연구에서는 저산소 노출에 의해 중내배엽(meso-endoderm)의 방향성을 가졌음.

4. 미세혈류측정기 ; 건강한 조직이나 질병이 있는 조직 등에서 미세한 혈류 순환 활동을 모니터 하는데, 혈류를 이미지화하는 레이저 Doppler 혈류 이미지 시스템 (Laser Doppler Perfusion Imaging System LDPI)을 말함. 나타나는 이미지색은 프로그램 상 선택할 수 있으며, 본 연구에서는 혈류량이 많을수록 붉은 색 이미지로 나타남.