[헬스코리아뉴스 / 임해리] 심장판막은 끊임없이 열리고 닫히며 혈액이 한 방향으로 흐르도록 조절한다. 판막이 제대로 기능하지 못하면 수술을 통해 인공판막이나 동물 조직으로 만든 생체판막을 이식해야 한다.

현재 사용되는 생체판막은 기계판막과 달리 장기간 항응고제를 복용해야 하는 부담이 상대적으로 적다. 반면 시간이 지나면서 조직에 칼슘이 쌓이고 판막이 굳어지는 구조적 퇴행이 발생할 수 있다는 한계가 있다. 성장기 소아에게는 판막이 몸과 함께 자라지 못한다는 문제까지 더해진다. 선천성 심장질환 환자가 성장 과정에서 반복적인 판막 교체 수술을 받는 이유다.

서울대병원 소아흉부외과 임홍국 교수 연구팀(의생명연구원 김소영 연구교수·소아청소년과 김기범 교수)은 동물 유래 조직을 단순한 이식 재료가 아니라 사람의 세포가 들어가 다시 살아나는 조직으로 바꾸는 실험에 성공했다.

연구팀은 돼지 심낭에서 면역반응을 유발할 수 있는 주요 항원을 제거한 뒤 사람 지방유래 중간엽 줄기세포 한 종류만 주입·배양해 조직 내부의 재세포화를 유도했다.

연구 결과는 조직공학 분야 국제학술지 '바이오엔지니어링(Bioengineering)' 5월호에 '차세대 심장판막을 위한 중간엽 줄기세포 단일배양 기반의 효과적인 재세포화'라는 제목으로 게재됐다. 

세포를 걷어낸 돼지 조직에 사람 세포를 다시 심다

동물 조직을 사람에게 이식할 때 가장 먼저 해결해야 할 문제는 면역반응이다. 돼지 조직에는 사람에게 존재하지 않는 α-Gal과 Neu5Gc 같은 이종항원이 남아 있어 염증과 면역 거부반응을 유발할 수 있다. 이러한 반응은 장기적으로 조직의 석회화와 퇴행으로 이어질 가능성이 있다.

연구팀은 먼저 돼지 심낭을 계면활성제로 처리해 기존 세포를 제거하는 '탈세포화'를 시행했다. 세포를 걷어내되 콜라겐을 비롯한 세포외기질의 구조는 지지체로 남겨두는 과정이다.

이후 α-갈락토시다아제와 PNGase-F라는 두 종류 효소를 적용해 α-Gal과 Neu5Gc 항원을 제거했다. 분석 결과 탈세포화한 조직에서는 세포핵과 DNA가 크게 줄었지만 콜라겐 섬유의 배열과 침착 정도는 원래 조직과 비교해 유의한 변화 없이 유지됐다. 사람 세포가 자리 잡을 수 있는 기본 골격을 보존하면서 면역 유발 물질을 줄인 것이다.

연구팀은 이 지지체의 표면과 내부에 피브린 그물망을 형성한 뒤 헤파린과 혈관내피성장인자(VEGF)를 결합했다. 세포가 조직에 더 잘 달라붙고 내부로 이동할 수 있도록 일종의 생물학적 발판을 만든 것이다.

그 위에 사람 지방유래 중간엽 줄기세포를 심고 56일 동안 배양했다. 이전 연구에서는 지방유래 줄기세포와 사람 제대정맥 내피세포를 함께 배양했지만, 이번에는 지방유래 줄기세포 한 종류만 사용했다. 복수의 세포를 따로 확보하고 관리해야 하는 공배양 과정을 단순화해 향후 임상 적용 가능성을 높이려는 시도다.

56일 만에 조직 내부까지 세포 침투

두 효소를 함께 처리한 돼지 심낭에서는 배양 28일째부터 줄기세포가 조직 기질 안쪽으로 들어가기 시작했다. 56일째에는 세포가 지지체 표면뿐 아니라 내부 전반에 비교적 고르게 분포했다.

두 효소를 단독으로 처리하거나 효소를 사용하지 않은 조직에서는 세포가 주로 표면 일부에 머문 것과 대조적이었다. 이종항원을 더 충분히 제거한 환경이 세포의 부착과 생존, 조직 내부 이동에 유리하게 작용한 것으로 연구팀은 해석했다.

면역형광염색에서도 재세포화의 흔적이 확인됐다. 중간엽세포의 이동과 조직 정착을 나타내는 비멘틴, 세포외기질의 형성과 재구성에 관여하는 파이브로넥틴 발현이 두 효소 병용군에서 가장 강하게 나타났다.

평활근세포와 유사한 분화를 보여주는 칼포닌도 56일째 조직 내부에서 발현됐다. 혈관 내피세포의 특징을 나타내는 CD31과 폰빌레브란트인자(vWF) 역시 지지체 표면과 내부에서 관찰됐다. 하나의 줄기세포 집단이 조직에 붙는 데 그치지 않고 평활근세포와 내피세포 유사 특성을 나타내며 조직 재형성에 관여할 가능성을 보여준 것이다.

판막 표면의 내피화는 중요한 의미가 있다. 내피세포층은 혈액과 직접 맞닿는 조직을 보호하고 혈전과 염증 반응을 조절한다. 기존 생체판막은 살아 있는 내피세포가 없는 가공 조직이어서 손상 후 스스로 회복하거나 재형성하기 어렵다.

반면 이식된 조직에 세포가 정착하고 내피세포와 평활근세포 유사 성질을 갖게 된다면, 장기간 조직을 유지하고 손상을 복구할 가능성이 생긴다. 연구팀이 재세포화를 차세대 생체판막의 핵심 전략으로 보는 이유다.

줄기세포 심은 조직에서 석회 침착 감소

연구팀은 체외 실험에 이어 생체 내 재세포화 가능성도 확인했다. 탈세포화와 글루타르알데하이드 고정, 항석회화 처리를 거친 돼지 심낭에 쥐 골수유래 중간엽 줄기세포를 심은 뒤 쥐의 등 피하에 이식했다.

이식 7일과 28일 후 조직을 분석한 결과, 탈세포화한 지지체에서 비멘틴 양성 세포가 표면뿐 아니라 조직 내부까지 침투했다. 28일째에는 7일째보다 세포 침윤이 증가해 생체 내에서도 재세포화가 진행될 가능성을 보여줬다.

석회화 분석에서도 차이가 나타났다. 줄기세포를 심지 않은 글루타르알데하이드 고정 조직은 이식 28일 후 석회화 부피가 2.487㎣였고, 탈세포화와 동일한 고정 처리를 함께 거친 조직은 2.048㎣였다.

줄기세포를 심은 조직에서는 글루타르알데하이드 고정군의 석회화 부피가 0.942㎣, 탈세포화 후 글루타르알데하이드로 고정한 군은 0.646㎣로 측정됐다. 연구진은 중간엽 줄기세포를 이용한 재세포화가 세포를 심지 않은 조직보다 석회 침착을 줄이는 데 기여할 가능성이 있다고 평가했다.

석회화는 생체판막의 수명을 제한하는 대표적인 원인이다. 판막에 칼슘이 침착되면 조직이 단단해지고 판막의 개폐 기능이 떨어진다. 결국 협착이나 역류가 다시 발생해 재수술이 필요할 수 있다.

이번 결과는 재세포화가 단순히 빈 조직을 세포로 채우는 기술을 넘어, 판막의 구조적 퇴행을 늦추는 전략으로 발전할 가능성을 보여준다.

왜 '단일배양'이 중요한가

이번 연구의 핵심은 여러 종류의 세포를 섞지 않고 사람 지방유래 중간엽 줄기세포 한 종류만으로 돼지 유래 심혈관 조직을 재세포화했다는 점이다.

공배양은 서로 다른 세포가 상호작용하면서 재세포화를 촉진할 수 있지만, 세포별 배양 조건과 품질을 따로 관리해야 한다. 실제 의료제품으로 개발하려면 제조 과정이 복잡해지고 비용과 품질관리 부담도 커질 수 있다.

지방유래 중간엽 줄기세포는 비교적 확보하기 쉽고 증식 능력이 높다. 면역조절 기능과 다양한 세포로 분화할 가능성도 있어 조직공학 분야에서 널리 연구되고 있다.

연구팀은 두 효소로 이종항원을 제거한 지지체가 줄기세포의 운명을 유도하는 생물학적 환경으로 작용했다고 분석했다. 별도의 내피세포를 함께 넣거나 사전에 특정 세포로 분화시키지 않아도 지방유래 줄기세포가 지지체 내부에서 평활근세포와 내피세포 유사 특성을 나타냈다는 설명이다.

논문은 이를 사람 지방유래 줄기세포 단일 공급원을 이용해 돼지 유래 심혈관 조직을 재세포화한 첫 사례로 제시했다. 이종항원 제거, 줄기세포 단일배양, 항석회화 처리를 하나의 플랫폼으로 통합했다는 점도 기존 연구와의 차별점으로 꼽았다.

이미 환자에게 쓰이는 '풀스타' 기술과 연결

이번 연구가 주목되는 또 다른 이유는 실험에 적용한 조직 처리 기술이 연구실에서만 만들어진 개념에 머물지 않는다는 점이다.

임홍국 교수 연구팀은 돼지 심낭을 가공해 폐동맥판막 기능을 대신하는 스텐트 판막 '풀스타(PULSTA)'를 개발했다. 풀스타는 좁아지거나 제 기능을 하지 못하는 폐동맥판막 부위에 혈관을 통해 삽입하는 의료기기다.

논문에 따르면 연구팀은 그동안 돼지 심낭의 탈세포화와 면역원성 감소, 항석회화 처리 기술을 지속적으로 개발했고 이를 풀스타 판막 제작에 적용했다. 이번 연구는 이미 의료기기 형태로 상용화된 이종조직 플랫폼을 살아 있는 조직에 가까운 재생형 판막으로 발전시키려는 후속 단계에 해당한다.

그러나 현재 환자에게 사용되는 풀스타가 이번 연구에서 구현한 줄기세포 재세포화 판막이라는 의미는 아니다. 연구팀은 기존 풀스타에 적용된 돼지 심낭 처리 경험을 토대로, 앞으로 재세포화 기술을 접목할 가능성을 탐색하고 있다.

'아이와 함께 자라는 판막'은 아직 가능성

연구 결과가 곧바로 환자에게 이식할 수 있는 '살아 있는 판막'의 완성을 뜻하는 것은 아니다.

생체 내 실험은 돼지 심낭 조각을 쥐의 등에 이식한 피하 모델로 진행됐다. 실제 심장 안에 판막을 이식해 혈액의 압력과 반복적인 개폐 운동을 견디는지를 확인한 연구가 아니다. 조직 조각에서 세포 침투와 석회화 감소를 관찰했지만, 판막으로서의 혈역학적 기능과 장기 내구성은 평가하지 않았다.

사람 지방유래 줄기세포를 사용한 실험도 체외 배양에 국한됐다. 동물실험에는 쥐 골수유래 줄기세포가 사용돼 사람 세포가 생체 내에서 장기간 생존하고 기능할 수 있는지는 아직 알 수 없다.

내피세포와 평활근세포 관련 단백질이 발현됐지만, 세포의 분화 정도와 실제 기능을 유전자 분석이나 기능검사로 충분히 입증한 것도 아니다. 면역반응과 혈전 형성, 장기적인 조직 재형성, 세포의 비정상적 분화 가능성도 추가로 검증해야 한다.

다음 단계에서는 양이나 돼지 같은 대동물의 심장에 실제 판막 형태로 이식해 장기간 작동 여부를 확인해야 한다. 혈류와 압력 조건에서 판막이 정상적으로 열리고 닫히는지, 세포가 떨어져 나가지 않는지, 석회화와 면역반응이 장기간 억제되는지를 살펴야 한다.

이식재에서 재생조직으로

현재의 동물 유래 판막은 생물학적 조직으로 만들어졌지만, 이식된 뒤 스스로 성장하거나 손상을 복구하는 살아 있는 조직은 아니다. 가공된 돼지나 소의 조직이 일정 기간 기계적인 판막 역할을 수행하는 구조에 가깝다.

서울대병원 연구팀의 접근은 이 판막의 개념을 바꾸려는 시도다. 돼지 조직은 형태를 유지하는 골격으로 활용하고, 면역반응을 일으킬 수 있는 요소를 제거한 자리에 사람의 세포를 다시 채워 넣는다. 궁극적으로는 이식 후 환자의 몸속에서 세포가 정착하고 조직이 재형성되도록 하는 것이 목표다.

이 기술이 완성되면 생체판막의 내구성을 높이고 석회화를 줄이는 데 그치지 않고, 소아 환자의 성장에 맞춰 조직이 적응하는 판막으로 이어질 가능성이 있다. 반복 수술의 부담을 줄이는 '자라는 심장판막'이라는 오랜 목표에 접근할 수 있는 셈이다.

아직 넘어야 할 단계는 많다. 이번 연구는 완성된 치료법이 아니라, 면역 유발 항원을 제거한 동물 조직에 사람 줄기세포 한 종류만으로 새로운 생명력을 부여할 수 있음을 보여준 초기 연구다.

그럼에도 의미는 작지 않다. 기존 생체판막이 가진 면역반응과 재생능력 부족, 석회화라는 세 가지 한계를 하나의 기술 플랫폼에서 동시에 해결하려 했기 때문이다. 죽은 이식재를 살아 있는 재생조직으로 바꾸려는 시도가 실제 치료기술로 이어질 수 있을지, 이제 검증의 무대는 연구실 밖으로 향하고 있다. 

※본 해설기사는 서울대병원 연구팀의 연구 논문에 근거해 작성한 것입니다. 아래 연구논문 첨부.

첨부파일 : [논문] Effective Recellularization Using Mesenchymal Stem Cell Monoculture (1).pdf