줄기세포와 헌팅턴병: 과거, 현재, 그리고 미래

모두가 줄기세포에 대해 들어봤을 거야. 하지만 지금까지 헌팅턴병 줄기세포 치료는 실망스러웠어. 과학자들은 이제 피부 샘플에서 줄기세포를 만들 수 있고, 심지어 중간 단계를 건너뛰고 뇌 세포를 직접 만들 수도 있어. 줄기세포 치료는 아직 갈 길이 멀지만, 이 세포들은 이미 실험실에서 헌팅턴병 연구를 가속화하고 있어.

대체 불가능한 뉴런과 원자폭탄

헌팅턴병은 신경퇴행성 질환이야. 이는 뉴런이라고 불리는 뇌 세포의 죽음으로 인해 증상이 발생한다는 뜻이야. 안타깝게도 헌팅턴병 환자의 경우, 뇌의 뉴런은 일단 죽으면 일반적으로 대체되지 않아.

우리가 이걸 어떻게 알까? 오랫동안 과학자들은 동물 연구를 바탕으로 이것이 사실이라고 가정했지만, 인간에게서 증명하기는 어려웠어. 하지만 2005년에 과학자들은 원자폭탄으로 인한 방사선을 이용한 놀라운 실험을 통해 인간 뇌의 뉴런이 대부분 대체되지 않는다는 것을 보여줬어.

1940년대 중반부터 1963년 전 세계 핵실험 금지 조약이 체결될 때까지 수백 개의 원자폭탄이 지구 대기권에서 폭발했어. 이 폭탄들은 자연적으로 발생하는 탄소와 구별되는 특별한 종류의 탄소를 대량으로 방출했어. 뉴런에 있는 이 탄소의 양을 측정하고, 알려진 나이의 나무에서 발견되는 탄소의 양과 비교함으로써 과학자들은 뉴런에 ‘생일’을 부여할 수 있었어.

과학자들은 뇌의 뉴런들이 그 뉴런이 속한 사람의 실제 생일과 매우 가까운 ‘생일’을 가지고 있다는 것을 밝혀냈어. 그래서 대체로, 죽을 때 가지고 있는 뉴런은 태어났을 때 가지고 있던 뉴런과 같아. 이것이 헌팅턴병과 같은 신경퇴행성 질환이 그토록 치명적인 이유 중 하나야. 죽은 세포는 대체되지 않으니까.

줄기세포와 대체에 대한 꿈

뉴런이 그토록 중요하고 대체 불가능하다는 사실은 많은 사람들이 줄기세포에 대해 흥분하는 이유를 설명해 줘. 줄기세포는 피부 세포부터 간 세포, 뇌 세포에 이르기까지 몸을 구성하는 모든 다양한 세포로 변할 수 있는 특별한 세포야.

살아있는 모든 사람은 단일 세포, 즉 수정란으로 시작했어. 그 세포는 분열했고, 새로운 세포들은 몸의 수많은 다양한 세포 유형이 되었지. 다른 유형의 세포로 분열하는 능력은 다능성이라고 불리며, 오랫동안 줄기세포의 독특한 특징으로 여겨졌어.

줄기세포는 구하기 매우 어려워. 역사적으로 과학자들이 줄기세포를 찾을 수 있다고 알았던 유일한 곳은 모든 세포의 원천인 초기 단계 배아였어. 발달 중인 배아의 작은 세포 덩어리를 분리하여 실험실에서 배양할 수 있었지. 이 세포들이 전 세계적으로 논란과 흥분을 불러일으킨 ‘배아줄기세포’야. 배아줄기세포는 임신 중절된 태아 또는 불임 치료를 받는 부부의 사용되지 않은 냉동 배아에서만 얻을 수 있어.

줄기세포가 다른 세포 유형으로 변할 수 있는 독특한 특징은 구하기 어려움에도 불구하고 연구하는 데 매우 중요하게 만들었어. 많은 사람들의 꿈은 세포가 한 세포 유형에서 다른 세포 유형으로 변하는 방식, 즉 ‘분화’하는 방식을 이해할 수 있다면 손상된 조직을 복구할 수 있을 것이라는 것이었어. 이것이 가능하다면, 죽어가는 췌장 세포를 대체하여 당뇨병을 치료하거나, 척수 손상을 복구하여 하반신 마비 환자의 움직임을 회복시킬 수 있을 거야. 마찬가지로, 사람들은 줄기세포로 만든 뉴런을 사용하여 헌팅턴병과 같은 질병을 앓는 환자의 뇌에서 죽어가는 뉴런을 대체할 수 있기를 바라고 있어.

뇌 세포 대체의 과제

뉴런의 역할은 전기 신호로 다른 뉴런과 ‘대화’하는 거야. 이러한 소통은 뇌가 하는 모든 놀라운 일들의 핵심이지. 예를 들어, 손가락을 움직이고 싶은 충동은 머리 꼭대기 근처 뇌의 뉴런에서 전기 신호로 시작돼. 이 신호는 척수의 뉴런에 도달하고, 그 뉴런은 다시 손가락 근육까지 신호를 보내. 이 모든 신호 전달의 끝에는 척수에서 시작된 뉴런의 끝에서 화학 물질이 분출되어 손가락 근육을 수축하게 해.

여기서 상당한 거리가 다뤄지고 있다는 것을 눈치챘을 거야. 뇌에서 손가락 끝까지의 이 움직임에는 단 두 개의 뉴런만이 직접적으로 관여해. 하지만 세포는 정말 작잖아, 그렇지 않아? 그럼 어떻게 그렇게 먼 거리를 도달할까?

뉴런은 신호를 주고받는 전기선처럼 작동하는 축삭이라고 불리는 매우 긴 돌기를 뻗어. 이 축삭은 엄청나게 길 수 있어. 기린은 15피트(4.5미터) 길이의 축삭을 가지고 있거든!

뇌의 손상을 고치려면, 이 돌기들과 뉴런들 사이의 모든 다양한 연결, 그리고 뇌 세포 자체에 대해 생각해야 해. 뇌를 고치는 것은 단순히 더 많은 세포를 넣는 것만이 아니야. 어려운 부분은 세포들을 올바른 패턴으로 연결하는 것이지.

간단한 손가락 움직임에는 일렬로 연결된 몇 개의 세포가 관여해. 하지만 뇌의 일부 특수 뉴런은 다른 뉴런과 수십만 개의 연결을 가지고 있어. 연결이 잘못되면 전체 네트워크가 제대로 작동하지 않을 수 있다는 뜻이야.

헌팅턴병 줄기세포 임상시험

뉴런이 스스로 새로운 연결을 만드는 방법을 알 수도 있다는 희망으로, 과학자들은 배아 조직에서 얻은 미성숙 인간 뉴런을 헌팅턴병 환자의 뇌 병변 부위에 직접 주입하는 시도를 해왔어.

이 임상시험의 결과는 엇갈렸어. 한 임상시험에서는 다섯 명의 환자가 치료를 받았는데, 그 중 세 명은 증상이 안정되거나 심지어 개선되는 것을 확인했어. 하지만 긍정적인 결과는 오래가지 못했고, 질병이 다시 진행되어 상태가 악화되기 시작했어.

왜 치료가 실망스러웠을까? 아마도 여러 가지 이유 때문일 텐데, 가장 큰 이유는 세포들이 어떤 연결을 만들어야 할지 몰랐다는 점이야. 게다가 주입된 세포들이 항상 완벽하게 건강한 것은 아니었고, 세포가 주입된 헌팅턴병 뇌 또한 이미 문제를 겪고 있었기 때문에 세포가 생존하기 어려웠을 수도 있어. 또한, 주입된 세포들은 그들이 들어가게 된 뇌와 유전적으로 달랐는데, 이는 뇌의 면역 체계가 세포를 공격하거나 ‘거부’하게 만들 수 있어.

현재로서는 성인 뇌에서 새로운 뉴런이 어떻게 연결되고 관계를 맺어야 하는지 알려줄 방법을 알지 못해. 하지만 이러한 어려움 때문에, 성숙한 뇌의 세포를 대체하는 것이 가까운 시일 내에 헌팅턴병의 광범위한 치료법이 될 가능성은 낮아.

그럼, 줄기세포는 헌팅턴병에 쓸모없을까?

이러한 어려움이 줄기세포가 헌팅턴병과 무관하다는 것을 의미하지는 않아.

과학자들에게 이런 문제는 도전이자 미스터리를 풀 기회야. 우리는 줄기세포와 함께 올바른 연결을 만드는 문제를 이해하려고 노력해야 하며, 장기적인 목표는 뇌의 세포를 대체하는 것이지.

동물을 사용하여 우리는 이것을 연습하고 세포 간의 연결을 다시 성장시키는 가능성에 대해 배울 수 있어. 언젠가 이 연구는 뇌의 세포를 안전하고 정확하게 대체할 수 있는 기술로 이어질 수도 있을 거야.

하지만 아직 줄기세포를 헌팅턴병 치료에 사용할 수는 없지만, 줄기세포는 지금 당장 헌팅턴병을 이해하고 연구하는 데 중요한 역할을 해.

살아있는 세포 연구의 과제

우리는 헌팅턴병 돌연변이가 뉴런을 어떻게 손상시키는지에 대한 좋은 아이디어를 많이 가지고 있지만, 아직 확실히 알지 못하는 것들이 많아. 그리고 문제를 이해하는 것이 해결로 가는 길의 핵심 단계이지.

하지만 인간 뉴런에 대한 실험실 연구는 정말 어려워. 살아있는 인간 뇌 세포는 구하기 매우 어려워. 대부분의 살아있는 사람들은 여전히 자신의 뇌를 사용하고 있잖아! 그리고 뉴런은 분열하지 않기 때문에, 과학자들은 몇 개의 뉴런을 가져와 더 많은 수를 배양할 수도 없어.

뇌 수술에서 얻은 조직 샘플과 같은 성인 인간 뉴런의 공급원이 있다고 해도, 뉴런은 뇌에서 제거되는 것을 싫어하고 실험실에서 잘 자라지 않아.

우리는 어린 쥐나 생쥐에서 채취한 뉴런을 배양할 수 있지만, 그것들조차 살려두기 어려워. 중요하게도, 우리는 설치류와 사람 사이에 특히 뇌 세포가 작동하는 방식에서 엄청난 차이가 있다는 것을 알고 있어.

이러한 어려움 때문에, 실험실에서 헌팅턴병을 연구하는 데 사용되는 많은 세포들은 다양한 암에서 채취한 종양 세포들이야. 이 세포들은 실험실에서 잘 자라고 다루기 쉬워. 이 세포들을 사용하면 연구가 더 빠르게 진행되지만, 물론 헌팅턴병은 암이 아니며, 헌팅턴병의 취약한 세포들과 너무 다른 세포들을 연구함으로써 오해할 수도 있어.

인간 질병 모델로서의 줄기세포

줄기세포는 ‘성장 인자’라고 불리는 다양한 화학 물질로 처리함으로써 몸의 어떤 유형의 세포로든 변하도록 유도될 수 있어. 우리는 줄기세포를 다양한 세포 유형으로 분열시키는 절차와 방법을 점점 더 잘 이해하고 있어.

사실, 줄기세포를 뉴런으로 바꾸는 것은 줄기세포로 할 수 있는 가장 쉬운 일 중 하나로 밝혀졌어. 줄기세포는 뉴런으로 변하고 싶어 하는 것 같아. 줄기세포로 만든 뉴런은 헌팅턴병에서 무엇이 잘못되고 있는지 이해하고 그것을 고치려고 노력하는 데 사용될 수 있어.

헌팅턴병 돌연변이를 가진 세포에서 무엇이 잘못되는지 연구하는 기본적인 실험실 작업인 이 분야에서, 줄기세포는 지금 당장 헌팅턴병 연구를 혁신할 잠재력을 가지고 있어.

질병으로 인해 죽는 세포 유형에서 헌팅턴병을 연구하는 것은 연구 결과를 훨씬 더 신뢰할 수 있게 만들어. 특히 그 세포들이 인간 유래일 때 말이야. 최근 많은 주요 헌팅턴병 연구실에서는 줄기세포로 만든 뉴런을 사용하여 질병을 더 잘 이해하기 시작했어.

그러고 나서, 모든 것이 변했어.

줄기세포에 대해 우리가 알고 있는 모든 것이 2006년에 변했어. 일본의 두 연구자, 다카하시 가즈토시와 야마나카 신야는 일반 피부 세포를 줄기세포로 바꿀 수 있었다고 보고했어. 그들은 성체 쥐의 피부 샘플에서 채취한 일반 세포를 실제 배아줄기세포와 구별할 수 없는 세포로 ‘재프로그래밍’하는 방법을 알아냈어. 그들은 이 새로운 세포들을 유도만능줄기세포 또는 IPS 세포라고 불렀어.

그 단 한 번의 연구로, 줄기세포는 배아에서만 얻을 수 있다는 생각이 하룻밤 사이에 근본적으로 바뀌었어. 갑자기, 배아에서 얻은 줄기세포를 사용하는 미래 치료법 대신, 자신의 몸에서 만든 줄기세포, 즉 자신의 DNA를 가진 줄기세포로 사람들을 치료하는 것을 상상할 수 있게 되었지.

물론, 줄기세포 치료에 있어서는 세포가 올바른 연결을 만들도록 하는 문제가 여전히 존재할 거야. 하지만 IPS 세포는 적어도 공급 문제와 주입된 세포와 뇌 사이의 유전적 차이 문제를 해결할 수 있을 거야.

그러고 나서 다시 변했어.

과학자들이 줄기세포를 상상했던 것보다 훨씬 쉽게 얻을 수 있다는 생각에 익숙해질 무렵, 모든 것이 다시 변했어. 2010년, 스탠퍼드 대학교의 연구팀은 어쩌면 더 놀라운 일을 해냈어.

성체 세포로 시작하여 줄기세포로 바꾸고, 다시 그 줄기세포를 다른 세포 유형으로 바꾸는 대신, 그들은 중간 단계를 건너뛰기로 결정했어.

그들은 피부 세포를 뉴런으로 직접 전환할 수 있다는 것을 보여줬어. 피부 샘플로 시작하여, 접시에서 세포를 배양하고, 화학 물질과 유전자의 혼합물을 추가하여 재프로그래밍하면, 피부 세포가 뉴런으로 변하는 거야. 뉴런은 헌팅턴병을 포함한 수많은 질병의 근본 원인이 되는 대체 불가능한 뇌 세포이지.

과학자들은 수십 년 동안 세포가 일단 한 유형으로 ‘결정’되면 그 결정은 바뀔 수 없다고 생각했어. 분명히, 그 기본적인 가정은 틀렸어.

세포 전환과 헌팅턴병

성인 환자로부터 만능줄기세포를 만들 수 있는 능력과 성체 세포를 직접 재프로그래밍할 수 있는 능력이라는 이러한 놀라운 발전은 생물학의 지형을 변화시켰어.

5년 전에는 공상 과학처럼 보였던 일들이 갑자기 가능해졌어. 미래가 어떻게 될지는 모르지만, 최소한 과학자들은 이제 실제 인간 환자로부터 배양된 인간 뉴런에서 신경퇴행성 질환을 연구할 수 있어.

하지만 이러한 새로운 뉴런 공급원에도 불구하고, 단순히 성인의 뇌에 주입하는 것만으로는 질병으로 죽는 뉴런을 효과적으로 대체하기 어려울 것이라는 문제가 여전히 남아있어. 우리는 뇌의 적절한 기능에 필수적인 뉴런들 사이의 올바른 연결을 다시 성장시키는 방법을 찾아야 해. 그것은 헌팅턴병 연구자들이 노력하고 있는 부분이며, 그 어느 때보다 가까워졌지만, 아직 갈 길이 멀어.

한편, IPS 세포 혁명은 헌팅턴병에 대한 우리의 이해에 막 영향을 미치기 시작했어. 기술이 더욱 확립됨에 따라, IPS 세포는 효과적인 치료법을 찾는 데 중요한 도구가 될 거야.

자세히 알아보기

• 성체 피부 세포로부터 ‘유도만능줄기세포’ 생성에 대한 연구 (전체 기사는 유료 또는 구독 필요)
• 성체 세포를 뉴런으로 직접 전환하는 연구 (전체 기사는 유료 또는 구독 필요)