심혈관질환의 세포치료

- 성체줄기세포와 심근재생을 중심으로 -

충북대학교 의과대학 내과학교실

조명찬

Cell Therapy for Cardiovascular Disease

- Adult Stem Cell Transplantation for Myocardial Regeneration -

Myeong-Chan Cho, M.D., Ph.D.

Department of Cardiology, College of Medicine, Chungbuk National University, Cheongju 361-711, Korea

뇌와 심장은 세포분열이 끝난 장기로 신경세포와 심근세포는 출생 후에는 재생이 되지 않는 최종분화된 세포라고 알려져 있었으나, 최근 어른의 뇌에서도 신경조직발생(neurogenesis)이 일어나며 신경줄기세포(neural stem cells)가 확인되었고, 정상 심장에서도 심근세포가 분열하고 소실되는 심근세포의 교체가 매우 느리기는 하지만 일어나며, 급성심근경색의 경우 심근세포가 분열을 통해 활발히 증식하고 있음이 보고되었을 뿐만 아니라 심장줄기세포(cardiac stem cells)도 분리하여 그 특성이 규명되었다. 어떤 원인에 의하여 심근이 손상되면 이러한 심근세포의 증식과 심장줄기세포의 분열이 심근재생(myocardial regeneration)에 일조를 할 수는 있겠으나, 필요한 만큼의 많은 양을 적절한 시기에 동원하여 증식시키는 것은 불가능하여 심근의 재생과 손상된 심근의 기능회복을 위해 여러 종류의 세포를 이용한 세포이식치료가 대안으로 떠오르고 있다. 세포이식치료는 배아줄기세포(embryonic stem cell, ES cell)나 태아 혹은 신생아 심근세포 등을 이용하는 동종세포이식(allogeneic transplantation)과 환자 본인의 세포인 근육모세포(skeletal myoblast), 골수에서 기인한 줄기세포(중간엽 줄기세포, 조혈줄기세포, 내피전구세포), 간이나 신경계 등의 장기에 존재하는 성체줄기세포(adult stem cells) 등을 사용하는 자가세포이식(autologous transplantation)이 있다.

성체줄기세포는 골수, 신경조직, 간, 췌장, 골격근, 피부, 폐, 소장, 심장 등 많은 장기에 존재하며, 원래 줄기세포가 존재하던 장기와 전혀 다른 세포로 분화할 수 있을 뿐만 아니라 다른 배엽(germ layer)의 세포로도 분화가 가능한 유연성(plasticity)을 가지며 이행분화능(transdifferentiation)이 있다. 심장 같은 중요한 장기가 손상을 받으면 성체줄기세포는 동원(mobilization)되어 이동(migration)하여 손상부위로 회귀(homing)된 후 손상된 부위를 복구시킨다. 여러 성체줄기세포 중 골수에서 기인한 성체줄기세포는 확보가  용이하고 임상적용도 이루어지고 있어 골수에서 기인한 성체줄기세포를 이용한 심근재생에 대하여 알아보고자 한다.

중간엽 줄기세포 (Mesenchymal Stem Cell, MSC)

MSC은 골수의 간질세포에서 처음 분리되었으며 CD34-, CD45-, CD14- cell로 골수 단핵구세포의 0.001-0.05%를 차지하며 골세포, 근육세포, 지방세포, 심근세포 등의 여러 종류의 세포로 분화가 가능하며 성체 골수 뿐만 아니라 지방조직, 말초혈액, 제대혈 등에서도 분리가 가능하다.

Tomita 등은 흰쥐의 심장에 냉동손상(cryoinjuny)을 가하고 3주 후에 골수에서 분리한 MSC를 DNA demethylating agent인 5-azacytidine으로 처리하거나 혹은 하지 않은 상태로 심근에 직접 주사하면 반흔조직에 심근세포가 증가하고 신생혈관이 형성되며 심기능이 호전된다고 보고하였다. Wang 등은 흰쥐의 MSC을 심근에 직접 주사하였을 때 4주 후에 심근세포로 분화하고 기존의 심근세포와 간극결합(gap junction)을 형성한다고 보고하였다. Liechty 등에 의하면 사람의 MSC을 양의 태아에 이식하였을 때 종이 다름에도 불구하고 13개월 까지 착상되어 있었고 여러 종류의 중간엽세포로 부위특이적 분화를 하였다. 최근에 Toma 등은 사람의 MSC을 마우스 심근에 주입했을 때도 1주 후에 주입한 MSC는 심근세포로 분화가 되었다고 보고하였다. 이는 줄기세포가 면역성이 낮으며 면역내성(immunotolerance)이 유도되어 오랜기간 동안 이식된 장기에 존재하는 것으로 추정되며 자가세포이식 뿐만 아니라 동종 혹은 이종간의 줄기세포이식이 가능함을 제시한다.

성체 조혈줄기세포/전구세포 (Hematopoietic Stem/Progenitor Cells)

성체 골수에는 두 종류의 blood-forming stem cell이 존재하는 데 지속적으로 조혈계의 재구성을 담당하고 골수이식에 이용되는 조혈줄기세포(hematopoietic stem cell, HSC)과 self-renewal과 분화능이 다소 제한적이며 1-2개월 동안의 조혈기능이 있는 전구세포 (progenitor cell)가 이에 속한다. HSC과 전구세포는 CD34+, AC133+(CD133+) cell이며 이중 전구세포는 primitive cell population(CD34+, Lin-, c-Kit+, Sca-1+)이다.

Jackson 등은 방사선을 조사하여 골수를 완전히 파괴시킨 마우스에 HSC의 일종인 side population cell(CD34-/low, c-Kit+, Sca-1+)로 골수이식을 실시하였다. 골수이식 10-12주 후에 60분간 관동맥의 결찰후 재관류를 시킨 급성심근경색(AMI) 모델을 만들어 2-4주 후에 분석한 결과 허혈심근에 심근세포와 내피세포가 형성되어 심근경색의 치료로 골수줄기세포의 이식이 유용함을 보고하였다. Orlic 등은 마우스의 관동맥을 완전결찰하여 AMI 모델을 만든 후 5시간 내에 AMI 경계부위에 골수에서 추출한 Lin- c-kit+ HSC을 직접 주입하였다. 이식한 9일 후 심근세포로 분화되며 간극결합도 형성하고 증식도 하였으며, 내피세포과 혈관평활근세포로 분화되어 신생혈관도 만들었고 심기능도 호전됨을 보고하였으나, Lin- c-kit- HSC를 이식한 경우에는 심근재생이 관찰되지 않았다.

부행혈관의 형성은 심근혈류를 개선하고 심근생존력을 보존시킨다. Asahara 등은 사람의 말초혈액에서 얻는 내피전구세포(endothelial progenitor cell, EPC) 혹은 angioblast가 postnatal angiogenesis에 관여하고 cytokine과 허혈에 의해 동원된다는 것을 규명하였다. 흰쥐의 심근경색모델에서 granulocyte-colony stimulating factor(G-CSF)로 동원시킨 human EPC의 정맥 투여는 경색부위에 새로운 혈관의 형성을 유발하였고 기존에 있던 혈관의 증식을 야기하였다는 보고가 있으며, AMI 후 48시간 뒤에 2X106 개의 CD34+ 세포를 투여하여 2주와 15주에 심근으로 회귀한 것을 면역조직화학 염색으로 증명하였으며 심기능의 호전도 관찰하였다. 이는 신생혈관조성에 의해 경색주변부 심근세포 고사의 감소에 의한 것으로 추정되었다. Kawamoto 등도 같은 결과를 보고하였으며 Kalka 등은 hindlimb ischemia model에서 human EPC의 투여는 하지의 혈류개선과 limb loss를 감소시킬 수 있었다고 하였다.

비록 EPC가 손상된 심근부위로 회귀하지만 심근경색 부위나 주변부에 직접 투여하면 더 나은 myocardial engraftment와 신생혈관의 형성을 기대할 수 있다. Kocher 등은 사람의 골수에 있는 내피줄기세포를 흰쥐의 심장에 이식한 결과 심근세포는 생성되지 않았지만 신생혈관이 형성되고 심근세포의 고사를 예방하여 심실의 재형성을 줄이며 심기능의 호전을 가져왔다고 보고하였다. 비록 내피세포 같은 혈관세포의 형성은 손상된 심장의 회복에 직접적으로 관여하지는 않으나 새롭게 이식한 세포에게 적절한 영양분과 산소를 공급하여 생존을 도우므로 이식한 골수줄기세포가 혈관을 생성할 수 있다는 것은 중요한 이점이 된다. 만성심근허혈의 돼지모델에서 NOGA-mapping하에 EPC를 직접 심근에 주입하면 허혈부위의 감소, 부행혈관의 증가, 수축기능의 호전이 일어나며, 흰쥐 심근경색모델에 human CD34+ cell을 직접 주입하였을 때도 4주후에 심실기능의 호전과 모세혈관의수가 증가함을 보고하였다.

심장줄기세포 (Cardiac Stem Cells, CSCs)

심근손상을 재생시키기 위한 세포이식치료에 있어 성체의 골수에서 기인하는 줄기세포가 최선의 줄기세포인지 혹은 다른 줄기세포가 최선인지에 대해서는 아직 잘 모른다. 심장에 존재하는 심장줄기세포가 있다면 이론적으로는 심장줄기세포가 골수줄기세포 보다 우월하고 효과적이다. 왜냐하면 손상심근 부위로 빠르게 선택적으로 직접 이동하여 심근재생에 이용될 수 있고, 골수줄기세포가 심장세포로 분화되기 위해서는 reprogram 되어야 하나 심장줄기세포는 동원된 후 바로 활성화될 수 있으며 더 빨리 심근세포와 관동맥의 기능적 호전 및 구조적 특성을 가질 수 있기 때문이다.

최근 줄기세포에서 발현되는 항체를 발현하는 미분화된 세포들이 성인의 심근에서 발견되었고, 이들 primitive cell들은 줄기세포에서 양성으로 나오는 c-kit, MDR1, Sca-1 등이 검출되었다. 이 세 종류의 표면표식자가 줄기세포에 특이적이지는 않으나 HSC 같은 줄기세포에서 발견되며 Lin- c-kit+ HSC가 in vivo에서 심근세포로 변환된 점을 고려할 때 이들 세포들이 심장줄기세포일 수도 있다는 가능성을 남겨두고 있다. 또한 사람에서 심근경색이 발생하지 않은 부위에서도 심근세포의 재생이 활발히 일어난다는 것과 이식심장의 키메라 현상의 발생 등도 심장줄기세포의 존재를 뒷받침한다. 향후 골수줄기세포나 다른 장기에 있는 줄기세포를 자극하지 않고 국소적이며 제한적으로 심장줄기세포를 성장시킬 수 있는 방법의 개발도 필요하며 심장줄기세포의 동원과 증식은 혈관세포와 심근세포의 재생을 위해 이용될 수 있겠다.

줄기세포를 이용한 심근재생의 임상적용

2001년 Strauer 등은 AMI 환자에서 자신의 골수 단핵구세포(BM-MNCs)를 이용하여 심근재생과 신생혈관 생성을 위해 줄기세포 이식치료를 세계 최초로 실시하였다고 보고한 후 10명의 AMI 환자에게 적용하여 세포이식 3개월 째에 경색의 크기가 감소하고 심기능이 호전되었다고 보고하여 관동맥을 통한 자가 성체줄기세포의 이식치료가 심근경색의 치료에 적용될 수 있음을 제시하였다. Seiler 등은 심한 관동맥질환이 있으나 CABG를 할 수 없거나 수술을 거부한 환자에게 GM-CSF를 2주 동안 전신투여한 결과 부행혈관의 혈류호전과 관동맥 폐쇄시 유발되는 심근허혈이 개선됨을 보고하였다. Stamm 등은 6명의 심근경색 환자에서 CABG을 실시할 때 1.5×106 개의 자가 골수줄기세포(AC133+ cells)를 경색 경계부위에 주사하여 9개월까지 관찰하여 좌심기능과 경색부위의 관류가 개선됨을 보고하였다. Assmus 등은 TOPCARE-AMI 연구를 통해 재관류요법 시행한 AMI 환자에게 평균 4일째 골수에서 얻은 progenitor cell(n=9)나 말초혈액에서 얻은 progenitor cell(n=11)을 관동맥을 통해 이식한 결과 양군 모두에서 4개월 후의 전반적인 좌심실 기능과 경색부위의 국소벽운동의 호전, 좌심실 수축기말 용적의 감소, coronary blood flow reserve의 증가와  경색부위의 심근생존능의 호전이 있음을 보고 하였다.

줄기세포 이식의 임상적용시 고려하여야 할 사항으로 줄기세포의 종류와 갯수, 이식하는 시기, 투여방법 등이 있으며, 골수채취를 위한 여러번의 생검과 aspiration 후 ex vivo expansion에 따르는 감염이나 줄기세포의 pluripotent capacity의 유지 여부 등도 중요한 이슈가 된다.

줄기세포를 이용한 심근재생의 문제점과 향후 해결 방향

심혈관질환에서 심근 손상을 복구하기 위해 줄기세포이식을 시도하고 있으며 여러 종류의 성체줄기세포를 직접 이용하거나 사이토카인으로 동원을 증가시키는 방법과 줄기세포로부터 심근세포로 분화시켜 투여하는 방법 등을 이용할 수 있다. 줄기세포를 투여방법으로는 endocardial mapping device를 이용한 intramyocardial delivery와 외과적 수술시 시행하는 epicardial delivery 같은 심근에 직접 주사하는 방법 , 관동맥이나 coronary sinus로 주입하는 방법과 정맥주사 같이 전신투여하는 방법 등이 있으며 국소전달을 더욱 효율적으로 하기 위해 적절한 matrix나 biomaterial 위에 줄기세포를 입힌 조직공학적 삼차원 이식편을 이용할 수도 있다.

개개의 심근세포에 손상이 급성으로 발생하여 전체적으로 심기능을 저하시키는 경우 심근세포의 증식도 빨리 일어나야 생명을 구하고 심기능 회복에 실제적인 도움이 된다. 심근의 손상이 만성적으로 발생하는 경우에는 심근세포의 증식과 대체가 느리지만 지속적으로 일어나야 하고 병의 경과기간 내내 필요하다. 따라서 세포이식치료도 심혈관질환의 특성에 맞게 한번에 많은 양의 줄기세포를 전신투여할 것인지 혹은 여러 번에 결쳐 국소적으로 줄기세포이식을 할 것인지 등을 결정하여야 한다. 세포이식을 할 때 이식한 세포의 종류가 무엇이던지 혹은 어떻게, 어디에 투여했는 지와 관계없이 혈관의 형성이 있어야 재생시킨 심근의 생존과 반흔조직의 형성을 억제시킬 수 있다. 최종적으로 새로 형성된 심근은 기존의 심근과 융합되어야 심기능의 호전을 가져올 수 있다. 이 모든 것들이 심장이 박동하고 있는 동안 일어나야 하며 일부 잘 융화되지 않은 심근부위가 있으면 전도장애에 이상이나 부정맥을 초래하거나 심근수축이 부조화를 이루어 문제가 발생될 수도 있으며 이에 대한 연구도 진행중이다.

정상 심장도 계속적으로 심근세포의 교체가 일어나며 병적 상태에서는 더욱 증가한다. 심근의 성장과 심장의 복원을 최대화시키기 위해 세포분열을 일으키는 세포들의 기원과 특성에 대한 이해가 더욱 필요하다. 심장줄기세포가 존재한다는 증거가 있으며 심근재생의 수단으로 이용될 수 있으나 심장줄기세포의 정확한 확인, 분포의 규명, 순수분리 및 심장줄기세포의 특성규명 등이 풀어야 할 과제이며, 이를 통해 심장줄기세포의 이동, 증식, 분화를 조절하는 물질을 찾아내어야 한다. 성체줄기세포는 면역내성이 유도되어 면역억제제를 투여하지 않아도 오랜기간 동안 이식한 장기에 생존하므로 자가세포이식 뿐만 아니라 동종세포이식과 이종세포이식의 방법도 이용될 수 있으며 줄기세포를 제대혈 (cord blood)에서 구해 이용할 수 있다. 이런 새로운 사실의 발견과 계속되는 연구를 통해 말기 심부전 환자 뿐만 아니라 급성심근경색 같이 심근의 손상이 발생한 모든 심혈관환자에게 줄기세포를 이용한 세포이식이 심기능을 호전시키고 사망을 줄일 수 치료의 한 방법으로 조만간 자리를 잡으리라 예상되며, 향후 조직공학과 분자생물학의 발전에 힘입어 줄기세포 이식치료를 포함한 재생심장학 (regenerative cardiology) 분야도 각광을 받을 것으로 추정된다.

참고문헌

Abbott JD, Giordano FJ. Stem cells and cardiovascular disease. J Nucl Cardiol. 2003;10:403-12

Anversa P, Leri A, Kajstura J, Nadal-Ginard B. Myocyte growth and cardiac repair. J Mol Cell Cardiol 2002;34:91-105

Anversa P, Nadal-Ginard B. Myocyte renewal and ventricular remodelling. Nature 2002;415:240-3

Asahara T, Takahashi T, Masuda H, Kalka C, Chen D, Iwaguro H, Inai Y, Silver M, Isner JM. VEGF contributes to postnatal neovascularization by mobilizing bone marrow-derived endothelial progenitor cells. EMBO J. 1999;18:3964-72

Assmus B, Schachinger V, Teupe C, Britten M, Lehmann R, Dobert N, Grunwald F, Aicher A, Urbich C, Martin H, Hoelzer D, Dimmeler S, Zeiher AM. Transplantation of Progenitor Cells and Regeneration Enhancement in Acute Myocardial Infarction (TOPCARE-AMI). Circulation. 2002;106:3009-17

Beltrami A, Urbanek K, Kajstura J, Finato N, Bussani R, Nadal-Ginard B, Silvestri F, Leri A, Beltrami CA, Anversa P. Evidence that human cardiac myocytes divide after myocardial infarction. N Engl J Med 2001;344:1750-7

Britten MB, Abolmaali ND, Assmus B, Lehmann R, Honold J, SchmittJ, Vogl TJ, Martin H, Schachinger V, Dimmeler S, Zeiher AM. Infarct remodeling after intracoronary progenitor cell treatment in patients with acute myocardial infarction (TOPCARE-AMI): mechanistic insights from serial contrast-enhanced magnetic resonance imaging. Circulation. 2003;108:2212-8

Jackson KA, Majka SM, Wang H, Pocius J, Hartley CJ, Majesky MW, Entman ML, Michael LH, Hirschi KK, Goodell MA. Regeneration of ischemic cardiac muscle and vascular endothelium by adult stem cells. J Clin Invest 2001;107:1395-402

Orlic D, Kajstura J, Chimenti S, Bodine DM, Leri A, Anversa P. Transplanted adult bone marrow cells repair myocardial infarcts in mice. Ann NY Acad Sci 2001;938:221-9

Orlic D, Kajstura J, Chimenti S, Limana F, Jakoniuk I, Quaini F, Nadal-Ginard B, Bodine DM, Leri A, Anversa P. Mobilized bone marrow cells repair the infarcted heart, improving function and survival. Proc Natl Acad Sci USA 2001;98:10344-9

Quaini F, Urbanek K, Beltrami AP, Finato N, Beltrami CA, Nadal-Ginard B, Kajstura J, Leri A, Anversa P. Chimerism of the transplanted heart. N Engl J Med 2002;346:5-15

Stamm C, Westphal B, Kleine HD, Petzsch M, Kittner C, Klinge H, Schumichen C, Nienaber CA, Freund M, Steinhoff G. Autologous bone-marrow stem-cell transplantation for myocardial regeneration. Lancet. 2003;361:45-6

Strauer BE, Brehm M, Zeus T, Gattermann N, Hernandez A, Sorg RV, Kogler G, Wernet P. Intracoronary, human autologous stem cell transplantation for myocardial regeneration following myocardial infarction. Dtsch Med Wochenschr 2001;126:932-8

Tomita S, Li RK, Weisel RD, Mickle DA, Kim EJ, Sakai T, Jia ZQ. Autologous transplantation of bone marrow cells improves damaged heart function. Circulation 1999;100(Suppl):II247-56

Wang JS, Shum-Tim D, Galipeau J, Chedrawy E, Eliopoulos N, Chiu RC. Marrow stromal cells for cellular cardiomyoplasty: feasibility and potential clinical advantages. J Thorac Cardiovasc Surg 2000;120:999-1005

* 위 연구는 과학기술부 21세기프론티어연구개발사업단인 세포응용연구사업단의 연구비 지원(과제관리번호 SC13121)에 의해 수행되었습니다.