줄기세포 이식 성공률을 높일 중요 단서 규명 및 임상 적용 가능한 방법 제시
DGIST(총장 이건우) 학제학과 융합전공 김태완 교수가 파킨슨병 치료를 위해 뇌에 이식한 줄기세포가 이식 후 사멸하는 매커니즘을 세계 최초로 발견하고, 임상 적용이 가능한 세포 생존율 향상법을 개발했다. 이번 연구를 통해 난치성 파킨슨 환자에 대한 줄기세포 치료제 개발이 더욱 가속화될 것으로 기대하고 있다.
‘파킨슨병’은 도파민 신경세포가 사멸해 생기는 질병으로, 이를 치료하기 위해 줄기세포로부터 만든 새로운 도파민 신경세포를 환자의 뇌에 이식하는 임상 시험이 진행되고 있다. 하지만, 줄기세포 치료제 연구가 높은 수준으로 발전했음에도, 도파민 전구세포 이식의 안전성 문제와 이식한 세포가 대부분 사멸하는 문제는 아직 해결하지 못했다.
DGIST 김태완 교수의 이번 연구결과는 순수 도파민 신경세포의 안정적인 이식 방법으로 세포 치료의 안전성을 극대화하고, 나아가 이식한 세포가 사멸하는 원인을 규명함으로써, 난치성 파킨슨 질병에 대한 세포 치료제의 개발을 더욱 앞당길 수 있는 지름길을 만들었다.
김태완 교수는 2021년 ‘줄기세포로부터 임상 적용 가능한 도파민 신경세포를 만드는 방법’에 관한 논문을 국제 전문 학술지인 ‘Cell Stem Cell(IF: 23.9)’에 게재했었다. 해당 연구를 통해 실제 임상 적용 가능한 도파민 전구세포를 제작했고, 현재 미국에서 12명의 파킨슨 환자가 세포 치료 임상 시험을 진행하고 있다.
그리고 이번 연구를 통해 이식한 도파민 신경세포가 사멸하는 원인을 규명해내면서, 파킨슨병을 치료할 수 있는 새로운 방법을 발견했다. 김태완 교수는 ‘체내 유전자 조작 스크린 방법’ 등을 이용해 ‘TNF(종양 괴사 인자)-NFκB-p53’ 신호전달 체계가 이식한 세포의 사멸에 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀냈다. 또한, 370개의 항체를 이용한 항체 스크린을 통해 순수한 도파민 신경세포를 분리해 내는 항체를 발견했다. 나아가 김 교수는 FDA로부터 승인받은 약물인 TNF 억제제(Humira)를 이용해 안전성을 극대화한 순수 도파민 신경세포의 이식 및 생존율을 높였고, 동물실험을 통해 파킨슨병으로 이상행동(한 방향으로 원을 그리며 움직이는 행동)을 보이는 실험 쥐가 정상적인 행동으로 회복하는 것을 입증했다.
DGIST 김태완 교수는 “이번 연구를 통해 파킨슨병에 대한 줄기세포 치료 시 이식 후 사멸하는 매커니즘을 세계 최초로 규명하고, 이로부터 순수 도파민 신경세포의 이식 생존율을 높일 수 있는 임상 적용 가능한 방법을 발견했다”며, “향후 해당 기술을 통해 줄기세포를 이용한 난치성 뇌 질환에 대한 세포 치료제 개발이 더욱 가속화 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 ‘우수신진사업’과 DGIST ‘Start-up’ 등의 지원을 받아 수행됐다. DGIST 김태완 교수(제1저자, 공동 교신저자), 미국 Memorial Sloan Kettering Cancer Center의 Lorenz Studer 교수(공동 교신저자), 구소연 박사(공동 제1저자, Weill Cornell Medicine 박사과정 졸업)가 참여한 이번 연구결과는 세계 최고 권위 학술지인 ‘셀(Cell)’에 6월 11일(화) 온라인 게재됐다.
연 구 결 과 개 요
TNF-NFkB-p53 axis restricts in vivo survival of hPSC-derived dopamine neurons
Tae Wan Kim*#, So Yeon Koo*, Markus Riessland, Fayzan Chaudhry, Benjamin Kolisnyk, Hyein S. Cho, Marco Vincenzo Russo, Nathalie Saurat, Sanjoy Mehta, Ralph Garippa, Doron Betel, Lorenz Studer#
(Cell, on-line published on June 11th, 2024)
Ongoing, first-in-human clinical trials illustrate the translational potential of human pluripotent stem cell (hPSC)-based cell therapies in Parkinson’s disease (PD). However, an unresolved challenge is the extensive cell death following transplantation. Here, we performed a pooled CRISPR/Cas9 screen to enhance postmitotic dopamine neuron survivalin vivo. We identified p53-mediated apoptotic cell death as major contributor to dopamine neuron loss and uncovered a causal link of TNFa-NFκB signaling in limiting cell survival. As a translationally relevant strategy to purify postmitotic dopamine neurons, we identified cell surface markers that enable purification without the need for genetic reporters. Combining cell sorting and treatment with adalimumab, a clinically approved TNFa inhibitor, enabled efficient engraftment of postmitotic dopamine neurons with extensive re-innervation and functional recovery in a preclinical PD mouse model. Thus, transient TNFa inhibition presents a clinically relevant strategy to enhance survival and enable engraftment of postmitotic hPSC-derived dopamine neurons in PD.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 무엇이 다른가
파킨슨 환자에 대한 세포 치료에서는 순수 도파민 신경 세포의 이식 방법의 부재 및 이식 한 세포가 90% 이상이 사멸하는 이유에 대해 알지 못했다. 본 연구에는 TNF-NFkB-p53의 세포 신호 전달 체계가 이식한 세포의 사멸을 일으킨다는 것과, 임상 적용 가능한 순수 도파민 신경세포를 분리하는 항체 개발등을 통해, 파킨슨 질병을 치료하기 위해, 안전성을 극대화 시키면서 세포 생존율을 높인 줄기 세포 치료제 개발을 하였음.
어디에 쓸 수 있나
현재 파킨슨 질병을 치료하기 위해 줄기세포를 이용한 세포 치료 방법이 임상 시험 진행 중이며, 이 방법을 통해 안정성과 재현성을 최대한 높인 세포 치료를 파킨슨병 환자에 할수 있음.
실용화까지 필요한 시간과 과제는
본 연구는 실제 임상 적용 가능한 항체들 (도파민 신경세포 분리 항체 및 FDA 승인된 TNF 억제 항체)을 사용 하여 결과들을 증명 하였으므로, 개발된 세포 치료제를 실용화 하기 까지 시간을 앞당길 수 있을 것이라 기대됨. 본 연구는 파킨슨병 쥐를 이용하여 파킨슨 행동이 정상화 되는 것을 밝혔기 때문에, 실제 실용화를 위해서는 인간과 비슷한 영장류 (원숭이)를 이용하여 결과를 확인하는 것이 필요함.
연구를 시작한 계기는
파킨슨 환자에 줄기세포를 이용한 세포 치료제를 개발하기 위해, 지난 8년간 인간 줄기세포로부터 임상 적용 가능한 도파민 신경세포를 만드는 방법을 연구하였고, 2021년에 주저자로 이 방법을 Cell Stem Cell에 발표함. 이 방법을 통해 실제 임상 적용 가능한 도파민 전구세포가 만들어졌고, 현재 미국에서 12명의 파킨슨 환자에게 세포 치료가 임상 시험 진행 중이며, 최근 이 임상 시험의 안정성 및 효율성이 확인되었다고 보고 된바 있음. 이와같이 줄기세포를 이용하여 안전하고 효율성 있는 세포 치료제 개발을 하기 위한 연구를 주력 하였음.
어떤 의미가 있는가
본 연구에서 이용한 방법이나 결과들은 우선 파킨슨 질병에 대한 줄기세포 치료제 개발을 가속화 시킬 것임. 또한 세포 치료를 필요로 하는 다른 질병에도 응용될 가능성이 높음. 이는 베타세포 및 심장세포를 이용하여 당뇨병 및 심장병을 세포 치료 하고자 하지만, 이 세포들도 90% 이상의 세포가 이식 후 사멸하기 때문임. 따라서, 본 연구는 세포 치료를 필요로 하는 다양한 질병에 대한 연구와 이에 대한 세포 치료제 개발 연구를 강하게 넓힐 것이라 시사함.
꼭 이루고 싶은 목표는
줄기세포를 이용하여 파킨슨 질병 뿐만 아니라, 다양한 질병에서 실제 임상 적용 가능한, 질병 특이적 세포 치료제를 개발하고 싶음.
윗칸: (왼쪽 그림) 이식한 도파민 신경세포의 사멸 원인 유전자를 규명하기 위해 체내 유전자 조작 스크린을 수행하였고, 이식한 세포의 유전자 분석을 통해, p53 유전자가 이식한 세포사멸의 핵심 유전자임을 규명하였음. (오른쪽 그림) 또한, p53 유전자가 정상인 세포와 결함된 세포를 이식하여, p53 유전자가 결함된 도파민 신경세포의 생존률이 높아지는 것을 다시 한번 확인하였음.
중간칸: (왼쪽 그림) 도파민 신경세포의 사멸 및 숙주 세포의 반응을 세포 이식후 시간 별로 관찰하였음. 이식한 도파민 신경세포에서 TNF가 가장 먼저 발현하고, p53과 세포 사멸 마커인 TUNEL, cleavage-caspase3 등이 이식후 하루후에 발현되는 것을 관찰함. 숙주 세포인 Microglia와 Astrocyte는 세포 이식후 삼일후에 이식한 세포 근처로 많이 발현됨을 확인함. (오른쪽 그림) 도파민 신경세포를 TNF (정상 vs 결핍) 마우스에 이식 하였을 때, 신경세포의 생존율이 비슷함을 확인함. 하지만 TNF 억제제와 같이 이식하였을 때, 도파민 신경세포의 생존율이 TNF (정상 vs 결핍) 마우스에서 둘다 높아지는 것을 확인함. 또한, TNF 결핍 도파민 신경세포를 TNF 억제제와 같이 마우스 뇌에 이식하였을 때는, 이식후 생존율이 향상 되지 않는 것을 관찰함. 이로부터 이식한 세포의 TNF가 p53을 조절하여 이식후 세포사멸을 일으키는 것을 규명함.
아래칸: (왼쪽 그림) 안전성과 효율성이 높은 임상 적용 가능한 세포 치료법을 찾기 위해, 순수 도파민 신경세포 분리를 위한 항체 스크린을 하였고, CD 49E와 184의 2가지 항체가 순수 도파민 신경세포를 분리할수 있는 것을 확인함. (오른쪽 그림) FDA 승인된 TNF억제제 (Humira; Adalimumab)를 순수 분리한 도파민 신경세포와 같이 파킨슨 동물의 뇌에 이식하였을 때, 도파민 신경세포의 이식 생존율이 높아졌으며, 파킨슨병의 행동이 정상적으로 개선됨을 확인함. [사진=DGIST]
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(DGIST) 등록일2024.06.12