Hot Agenda - 세포의 일생을 거스른 의료계의 블루칩
2012년 노벨 생리의학상은 사상 최초로 줄기세포 연구자들에게 돌아갔다. 줄기세포에 대한 학계와 의학계의 비상한 관심을반영한 것이다.
무엇보다 ‘황우석 쇼크’로 국내에서 줄기세포 연구가 빛을 보지 못했던 사이 일찌감치 유도만능줄기(iPS, induced Pluripotent Stem)세포로 방향을 잡은 일본에서 또 한 명의 노벨상 수상자를 배출했다는 사실이 우리에게는 아쉬운 점이다.
화제의 중심에 선 iPS는 무엇이고 줄기세포 연구의 현 주소는 어떠한지 살펴보자.
글 김 택 원 동아사이언스 기자
twkim@donga.com
줄기세포 치료 혜택 사례
미 해군의 이사이아스 에르난데스 상병에게 아프가니스탄은 잊지 못할 곳이다. 그는 전쟁으로 얼룩진 이곳에서 수송병으로복무하다 적의 박격포 공격을 받았다.
다행히 목숨을 건지기는 했지만 대가로 오른쪽 다리를 내주어야만 했다. 포탄의 커다란 파편이 박혀 오른쪽 허벅지 근육의 70%를 잃어버린 것이다.
허벅지를 포함해 오른쪽 다리를 모두 절단해야 할지 모를 정도로 상태가 심각했다.
현재 에르난데스 상병은 두 다리를 잘 쓰고 있다. 재활치료도 끝내고 군무에도 복귀했다. 미군이 7,000만 달러나 투자한 재생의학 연구 덕분이다.
미국 샌안토니오 브룩스 육군메디컬센터의 의사들은 에르난데스 상병의 허벅지에 남아있던 30%의 근육에서 미세하게 잘라낸 근육세포 조직을 이용하여 오른쪽 허벅지를 정상에 가깝게 되살려냈다.
돼지 방광에서 추출한 조직재생촉진 물질을 이용하여 잃어버린 근육세포를 재생시키는 혁신적인 수술 덕분이다.
돼지는 생리학적 특징이 인간과 비슷하여 의료용으로 다양하게 이용된다. 심장 판막에 이상이 있는 환자에게 돼지의 심장 판막을 이식하는 수술은 이미 많이 시행되고 있다.
콜라겐이 풍부한 돼지 방광 추출물은 절단된 손가락을 재생하는 데 이용된적도 있다. 미 국방부는 이를 이용하여 사지를 복원하는 기술을 개발 중이다.
에르난데스 상병이 받은 수술이 성공적으로 끝나면서 사지절단으로 고통받는 수많은 병사들이 큰 희망을 얻었다. 경주마 ‘백광’은 과천의 에이스이자 챔피언이었다.
백광의 경력은 화려했다. 통산 17번의 경주에 나가 9승, 2등은 5번, 3등은 3번을 기록하여 단 한 번도 3등 이내를 놓친 적이 없었다.
백광은 곧 경마계의 블루칩으로 떠올라 출주할 때마다 그의 레이스를 놓칠세라 사람들이 몰려들어 혼잡을 이루기 일쑤였다. 그
러나 2008년 4월 13일, 백광에게 경주마로서는 마지막이 찾아왔다. 그날 경주를 마치고 ‘좌중수부계인대염’ 이라는 질병 판정을 받아 출주가 정지된 것이다.
이미 한 해 전부터 앓던 병이라 휴양 후에 재기를 노린 경기였지만 염증이 오히려 악화되어 영영 기회를 잃어버리고 말았다.
경주마라면 당연히 은퇴 수순을 밟을 심각한 질병이었지만 남달리 백광에게 애착이 강했던 마주는 한 가닥 실낱같은 기대를걸어보기로 했다.
당시만 해도 치료 실적이 없었던 줄기세포 치료를 백광에게 시술하기로 결정한 것이다. 다리에 줄기세포 치료를 받은 백광은 꼬박 30개월 만에 질병을 극복하고 레이스에 복귀했다.
그리고 거짓말처럼 2009년 10월, 2,000m 장거리 경주에서 내로라하는 경쟁자들을 따돌리고 극적인 우승을 차지했다.
기적을 일으키는 재생의학과 줄기세포
사실일까 싶을 정도로 극적인 두 가지 이야기는 의심의 여지없이 실제로 일어난 일들이다.
사람과 말의 다리가 도마뱀 꼬리도 아니고 어떻게 감쪽같이 원래 기능을 되찾을 수 있었을까? 그 비결은 바로 줄기세포를 이용한 재생의학에 있다.
재생의학은 말 그대로 잃어버린 세포를 되살리는 수술이다. 사람 몸의 세포는 끊임없이 분열하고 재생된다. 일상적인 생활이나 사고, 질병 등으로 체세포들이 계속 죽어나가기 때문이다.
마모된 부분에 새로운 세포를 공급해주는 역할을 하는 것이 바로 언론에 자주 오르내려 친숙한 ‘줄기세포’다. 줄기세포란 말 그대로 줄기를 이루는 세포라는 뜻이다. 우리 몸은 세포로 이루어지고 세포가 모여서 조직을 이룬다.
조직 단계에서 세포들은 개체 전체를 위해 정해진 기능을 할 수 있다. 이는 거꾸로 말하면 특정한 일을 하는 조직은 특정 세포들의 모임이라는 뜻이다.
예컨대 근육조직을 이루는 근세포들은 상피조직을 이루는 상피세포들과 성질이나 구조, 역할이 다르다. 상피세포들은 결합조직을 이루는 골세포나 뇌와 척수를 구성하는 신경세포와도 다르다.
이처럼 서로 다른 세포들이라도 기원은 동일하다. 바로 줄기세포다. 각 조직의 세포들이 가지라면 줄기세포는 그 가지가 뻗어나가는 튼튼한 줄기다.
줄기세포가 여러 조직의 세포로 분화해서 우리 몸을 이루는 것이다.
그렇다면 줄기세포를 대량으로 만들어서 복구가 불가능할 정도로 세포가 파괴된 환자에게 이식한다면? 상실된 부분을 온전히 되살릴 수 있을 것이다.
원래의 조직과 기관을 되살리는 방법과 인공물을 이식하는 것 중 어느 쪽이 환자에게 더 좋을지는 자명하다.
잃어버린 다리를 다시 되살릴 수 있다면 누가 익숙하지도 않은 의족을 달려고 할까? 줄기세포를 적절히 사용한다면 뇌성마비나 신경계 이상으로 인한 영구적인 장애까지도 치료할 수 있을 것이다.
줄기세포는 다양한 세포로 분화할 수 있을 뿐 아니라 손상된 부위로 스스로 찾아가는 능력도 있다. 손상 부위를 복구하기 부족하다 싶으면 스스로 복제할 수도 있다.
게다가 살아있는 동안 몸속에서는 끊임없이 새로운 세포들이 만들어지므로 줄기세포를 얻는데 그리 어렵지 않다. 난치병 환자들이 줄기세포 연구에 큰 기대를 거는 이유다.
문제는 쉽게 얻을 수 있는 종류의 줄기세포들은 ‘성체줄기세포’라고 하여 다른 세포로 변신하는 능력에 한계가 있다는 것이다.
골수 속에서 혈구를 만들어내는줄기세포는 신경세포로 분화할 수 없다. 장벽이나 위벽의 안쪽에서 깎여나간 상피세포를 보충해주는 줄기세포는 뼈나 근육을 만들어내지 못한다.
당연한 일이다. 뼈 속에서는 신경세포가 있어봐야 할 일이 없고 장벽이나 위벽에 근육이나 뼈가 있어봐야 소화 흡수를 방해만 할 뿐이니까.
성체줄기세포는 분열 능력도 그리 크지 않은 경우가 많다. 잃어버린 부분을 복구할 만큼이면 충분할 것을 분열이 너무 활발해도 암세포가 되버린다.
사정이 이렇다보니 일반적인 성체줄기세포는 재생치료에 그리 적합지 않다. 특히 새로운 세포가 잘 만들어지지 않는 신경조직 복구는 거의 불가능하다.
그래서 과학자들이 주목한 것이 배아줄기세포다. 배아는 난자와 정자가 만나 수정하여 세포분열을 시작한 상태를 일컫는다.수정 직후의 수정란은 세포 하나일 뿐이다.
단 한 개의 세포로부터 아기의 몸을 이루는 모든 세포들이 갈라져 나온다. 배아를 이루는 세포야말로 기능상 제약이 없는, 진정한 의미의 ‘줄기’세포인 셈이다.
실용화까지는 첩첩산중
배아줄기세포를 이용한 치료는 획기적인 의학적 성과기는 했지만 완전한 실용화까지는 아직 갈 길이 멀다. 가장 큰 문제는 치료효과가 좋은 배아줄기세포가 면역거부반응을 일으킨다는 점이다.
우리 몸은 외부로부터 침입하는 세균이나 바이러스를막기 위해 여러 단계의 보호체계를 마련해두고 있다. 그중 가장 강력한 대비책이 면역이다.
일종의 ‘태그’ 역할을 하는 세포막의 물질을 이용하여 몸속에 있던 세포인지, 밖에서 들어온 세포인지 판단하고 외부 세포라면 사정없이 공격한다.
그 결과 침입한 단백질이 괴사하는 면역거부반응이 일어난다.
골수나 신장 이식 등을 할 때 면역검사를 하는 이유도 이식해주는 사람의 세포를 이식받는 사람의 몸이 침입자로 인식하여 공격하는지 아닌지를 알아보기 위한 것이다.
면역거부반응이 일어난다면, 이를 무시하고 이식했다가는 조직의 괴사가 일어나 환자의 목숨이 위태로워질 수도 있다.
수정란에서 채취한 배아줄기세포는 원래 환자의 몸속에 있던 세포가 아니기 때문에 십중팔구는 면역거부반응을 일으킨다.
이식했다가는 치료는커녕 더 위험해지기 일쑤인 것이다. 다행히 세포에 붙은 태그가 비슷하여 면역거부반응을 일으키지 않는 세포가 있기도 하지만 그런 세포를 찾아다니는 것도 큰일이다.
대안으로 아기가 태어날 때 태반에서 나온 줄기세포를 보관해두는 제대혈은행처럼 줄기세포를 보관하는 시설을 둘 수도 있지만 제대혈을 보관해두지 않으면 소용이 없다.
그래서 등장한 방법이 체세포복제 배아줄기세포다. 한때 ‘국민과학자’로까지 불렸던 황우석 박사가 시도했던 것이 바로 이 방법이다. 방법은 간단하다.
환자의 체세포에서 핵만 추출한 후, 이것을 수정란의 핵과 바꾸어 놓는 것이다.
사람의 모든 유전정보는 핵 속에 있으므로 이 방법을 이용하면 환자의 체세포와 유전적으로 완전히 동일한 줄기세포를 만들어낼 수 있다.
이론상 환자맞춤형 이식이 가능하고 거부반응도 없어 한때 최적의 방법으로 떠올랐다.
그러나 생물학적인 문제를 해결하는가 싶었더니 윤리적인 문제가 발생했다. 배아줄기세포에는 반드시 인간의 수정란이 필요하고, 치료에 사용하려면 태아로 발달할 수 있는 가능성을 배제해야만 한다.
문제는 이 때문에 배아줄기세포를 이용한 연구나 치료가 잠재적인 ‘살인행위’가 될 수 있다는 점이다. 논란은 있지만 과학자와 의사들은 보통 수정 후 14일 이후부터는 한 명의 인간으로 볼 수 있다는 데 동의한다.
특히나 연구 목적으로 인공수정된 뒤 냉동상태에 있다면 독립된 생명체로 볼 수 없다는 견해가 많다. 헌법재판소도 이 견해를 지지하여 연구목적의 냉동배아의 기본권을 인정하지 않았다.
헌법재판소는 여기에 배아를 생성한 사람이 배아에 대한 결정권을 갖고 있다고 판시함으로써 인공수정배아가 연구목적으로이용될 수 있는 가능성을 열어두었다.
그러나 이는 어디까지나 헌법재판소의 결정일 뿐이다.
헌법재판소도 국가기구고 법적인 기준은 시대와 사회상에 따라 유동적인만큼, 줄기세포 연구의 중요성이 커지는 실정을 고려한 결정일 수도 있다.
게다가 일각에서는 수정시점부터 생명으로 보아야 하고, 따라서 배아에게도 생명권이 있다고 주장한다.
보수적 개신교의 세력이 강한 미국에서도 루이지애나, 버지니아등 일부 주에서 배아의 권리를 법적으로 인정하며 대리인까지 둘 수 있다고 규정한다.
종교계에서도 수정이 이루어진 배아를 배아가 아닌 타인의 의사대로 다루는 것은 생명윤리에 반한다며 반발하고 있다.
한편으로는 체세포복제 배아줄기세포가 유전적으로 동일한 또 다른 개체, 즉 복제인간을 만들어낼 가능성이 있다는 문제도 있다.
과학적인 문제는 어떻게든 결론이 난다 해도 윤리적 문제는 쉽게 결정하기 어렵다. 과거 과학자들이 줄기세포 연구에 조심스럽게 접근했던 것도 윤리적인 부담이 매우 컸기 때문이다.
돌파구는 없는 것일까?
세포의 시계를 거꾸로 돌리다
해결방법은 줄기세포와는 관계가 없어 보이는, 예상치 못한 곳에서 나왔다. 배아줄기세포가 문제라면, 배아를 사용하지 않으면 될 것이 아닌가?
체세포줄기세포의 능력이 부족하다면, 충분한 능력을 낼 수 있도록 하면 될 것이 아닌가? 무엇보다 체세포와 체세포줄기세포는 한때 배아줄기세포가 아니었던가? ‘역분화’ 연구는 이렇게 주목받기 시작했다.
수정란은 세포분열을 거듭하여 다양한 체세포로 변신한다. 이 과정을 분화라고 하는데, 이를 거꾸로 돌려서 체세포로부터 수정란을 만들어내는 것이 역분화다.
역분화 연구는 줄기세포 개념이 등장하기 이전부터 있었다. 과학자들은 수정란과 체세포의 명백한 차이가 대체 왜 생기는지 궁금하게 여긴 끝에 난자에 그 비밀이 있다고 생각했다.
정자는 유전물질만 전달할 뿐이라는 사실이 이미 널리 알려져 있던 까닭이다.
그렇다면 세포의 핵 대부분은 유전물질이 차지하고 있으니 난자의 핵을 제거하고 여기에 체세포의 핵을 이식하더라도 온전한 개체로 발생할 수 있을 것이다.
이번에 노벨 생리의학상을 공동수상한 존 거든(영국 케임브리지대) 교수는 1962년, 이 원리를 이용하여 개구리를 복제하는 데 성공했다.
거든 교수는 이 실험으로 분화가 끝난 체세포의 유전정보로도 온전한 개체가 탄생할 수 있다는 사실을 입증하고 난자의 세포질에 있는 어떤 물질이 개체 발달에 중요한 역할을 한다는 사실을 알아냈다.
1996년 탄생한 복제양 돌리를 통해 포유류에서도 거든 교수의 발견이 재확인됐고 거듭된 복제동물 실험은 본격적인 줄기세포 연구로 이어졌다.
그렇다면 난자의 어떤 물질이 개체를 발생시키는 힘을 지닌 것인가? 이 물질을 주입한다면 분화가 끝난 체세포라도 온전한 개체로 발달할 수 있을 것인가?
이에 대한 해답을 제시한 이가 거든 교수와 함께 노벨 생리의학상을 수상한 야마나카 신야(일본 교토대) 교수다. 신야 교수는 배아줄기세포에 특징적으로 나타나는 전사인자가 있다는 점에 주목했다.
전사인자란 특정 유전자가 발현되도록 조절해주는 물질을 말한다.
2006년, 신야 교수는 배아줄기세포의 네 가지 전사인자(Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc)를 분화가 끝난 체세포에 주입하여 배아줄기세포와 유사한 능력을 지닌 세포, 즉 iPS를 만드는 데 성공했다.
체세포로부터 유도된 iPS는 배아줄기세포처럼 어떤 세포로도 분화할 수 있으며 무한정 분열할 수 있다.
수정란을 이용하지 않고 환자 본인의 체세포를 이용하여 만들 수 있기 때문에 면역거부반응에 대한 걱정도 없고 윤리적인 문제도 피해갈 수 있다.
여러 문제로 난관에 부딪히던 줄기세포 연구에는 그야말로 ‘데우스 엑스 마키나’인 셈이다.
의료산업의 차세대 블루칩 될까
줄기세포를 이용하면 종전에는 치료가 불가능하거나 매우 어려웠던 질병 치료가 가능하다.
게다가 이론상으로는 부작용도 적고 효과도 탁월한데다 시술이 어렵지 않다. 의료산업에서 황금알을 낳는 거위가 될 가능성이 높은 것이다.
그래서 미국, EU, 일본 등 선진국에서는 줄기세포 연구를 적극적으로 지원해왔다.
미국은 오바마 행정부 들어 배아줄기세포 연구에 대한 규제를 대폭 풀었고 2009년에는 식품의약안전국(FDA)이 배아줄기세포 임상실험을 공식적으로 승인하기까지 했다.
영국도 최소한의 윤리규정만 두고 인간 배아 연구를 허용하고 있으며 중국 역시 뒤늦게 뛰어들어 치료 목적의 배아복제 연구를 거의 전면 인정하는 등 지원을 아끼지 않고 있다.
일본은 아예 iPS 연구로 방향을 잡아 현재 세계에서 가장 많은 iPS 관련 특허와 연구실적을 보유하고 있다.
물론 한국도 손을 놓고만 있지는 않았다. 한때 줄기세포 연구를 선도할 뻔한 만큼 국내 기업이 세계 최초로 줄기세포 치료제를 상용화하기도 했다.
다만 배아줄기세포 연구에 대한 규제가 황우석 쇼크 이래 심해진 사정상 성체줄기세포와 조혈모세포, 중간엽줄기세포 연구가 활발했다는 것이 아쉬운 점이다.
어찌 보면 반쪽짜리 연구였던 셈이다. 그 결과 줄기세포분야 기술경쟁력이 몇 년간 세계 12 ~ 14위에서 맴돌고 있다.
정부도 최근 줄기세포의 중요성을 인식하고 교육과학기술부와 지식경제부, 보건복지부 등이 함께 줄기세포분야 글로벌 TOP 5 진입을 목표로 관련 정책을 추진하고 있다.
iPS가 본격적인 주목을 받으면서 이에 대한 연구도 활발해질 전망이다. 다행히 황우석 쇼크의 여파는 어느 정도 지나가고 줄기세포가 다시 언론에 오르내리기 시작했다.
노벨 생리의학상 수상 소식과 함께 여론도 줄기세포에 대해 우호적인 쪽으로 돌아서는 분위기다. 에르난데스 상병과 백광이 받았던 치료는 분명 이례적인, 실험적 치료였다.
그러나 5 ~ 10년 이내에 난치병으로 고생하는 환자들이 쉽게 줄기세포 치료를 받아 완치될 수 있는 길이 열리길 기대해본다.