Hot Tech - 줄기세포를 이용한 치료제 개발 기술
HOT TECH에서는 혁신기업의 기술력과 성과, 성공 노하우, 업계 동향과 전망을 살펴봅니다.
인체 내에서 일생 동안 지속적으로 세포의 성장 및 재생에 관련된 성장인자 및 사이토카인 등의 단백질을 분비하는 줄기세포는 시험관 내에서도 특정 배양조건에서 체내에서와 유사하게 다양한 성장인자 및 사이토카인 등을 분비한다.
줄기세포로부터 이러한 단백질 성분들만을 분리한 것을 줄기세포 배양액(Conditioned Media)이라 한다.
즉, 세포를 배양하는 과정에서 세포로부터 분비되는 다양한 단백질 및 성장인자 등을 일컫는 것으로, 바이오 분야를 비롯하여 그 활용도는 매우 다양하다.
특히 줄기세포 배양액과 관련된 최근의 연구결과에 따르면, 줄기세포를 이용한 전통적인 치료제 개발분야인 세포치료제(Cell Therapy)를 보조 또는 대체할 수 있는 가능성이 매우 높은 것으로 보고되고 있다.
세포치료제
세포치료제(Cell Therapy)의 사전적 의미는 “세포와 조직의 기능을 복원하기 위하여 살아있는 자가(Autologous), 동종(Allogenic), 이종(Xenogenic) 세포를 체외에서 증식, 선별하거나 여타 방법으로 세포의 생물학적 특성을 변화시키는 일련의 행위를 통하여 치료, 진단, 예방 목적으로 사용되는 의약품”으로 정의된다.
사용하는 세포의 종류와 분화정도에 따라 “체세포치료제”와 “줄기세포치료제”로 나눌 수 있으며, “줄기세포치료제”는 “배아줄기 세포치료제”와 “성체줄기세포치료제,” 그리고 “역분화줄기세포치료제”로 구분할 수 있다.
특히 줄기세포치료제는 자기재생능력 및 분화능력이라는 줄기세포 자체의 특성을 이용하여 조직재생 뿐만 아니라 기존의 의학적 치료법으로는 해결되지 않는 많은 치료 영역에 활용될 수 있다.
이러한 잠재력으로 인하여 높은 부가가치를 생성할 수 있는 경제적 가치에 대한 기대로 인하여 세계 각국에서 줄기세포치료제 개발 지원에 박차를 가하고 있다.
현재 전 세계적으로 약 5,000여 건 정도의 세포치료제에 대한 임상시험이 진행 중이며, 이 가운데에서 산업체 주도로 진행되고 있는 줄기세포치료제 임상은 2014년 12월 31일 기준 277건에 이른다(www.clinicaltrials.gov, 미국의 대표적인 임상연구등록 사이트).
그림 1 에서 보듯, 우리나라는 전체 임상 건수에서 39건으로 미국에 이어 두 번째로 높은 비율을 차지할 정도로 활발히 진행이 되고 있다.
그러나 줄기세포 치료제의 시판을 위해서는 자가 또는 동종 세포의 주입으로 인한 면역거부반응의 최소화 및 장기간 체외 배양에 따른 세포의 변이 가능성과 암 발생 가능성 등 장기적인 임상 및 추적조사를 통해 극복해야 할 문제점들이 존재한다.
정부에서도 이와 같은 문제점을 해결하고자 2015년 8월 28일 식품의약품안전처 공고 “생물학적제제 등의 품목허가·심사 규정” 개정안을 통해 ‘줄기세포치료제 투여 후 암 발생, 면역반응 발생 등 제제 특성상 장기적으로 발생가능한 부작용에 대한 능동적인 모니터링을 수행하기 위한 장기추적조사를 의무화하도록 하였다.
인체 유래 단백질 제제
(줄기)세포치료제의 개발에 있어 최근 화두는 투입된 세포치료제의 적절한 생존율에 있는데 이에 관한 몇몇 연구결과를 보면 ‘줄기세포는 도울 뿐 주도하는 것은 이들로부터 유리되는 분비인자(Secretome)이다’라는 사실이 점차 인식되고 있다.
또한 투입된 세포는 채 몇 퍼센트 생존율에 지나지 않는다.
현재까지 밝혀진 여러 연구결과를 토대로 세포치료제 및 인체 유래 단백질 제제의 임상적용시의 특징을 정리하면 그림 2 와 같다.
인체 유래 단백질 제제의 치료효과를 입증하는 연구결과는 최근에 들어 상당히 많이 보고가 되고 있다.
대표적으로 2012년 4월 고려대학교 생명과학대 김종훈 교수의 연구팀은 줄기세포 이식없이 줄기세포가 분비하는 단백질을 투여해도 똑같이 질병을 치료할 수 있다는 사실을 세계 최초로 규명했다.
인간 배아줄기세포를 간세포로 분화시킨 후 간질환에 걸린 실험용 쥐에 이식한 결과 이식된 세포가 죽은 세포의 기능을 대신하는 현상이 있음을 확인하였다.
또한 이식된 간세포에서 조직 재생을 유도하는 생리활성 단백질이 분비돼 재생기능이 촉진된다는 사실도 증명했다.
이로부터 줄기세포를 이식하지 않고 줄기세포가 분비하는 단백질만 체내에 투여해도 각종 질병을 치료할 수 있다는 사실을 규명했다고 밝혔다.
특히 2014년 4월 11일 삼성서울병원 줄기세포재생의약연구센터에서 열린 제1회 국제 심포지엄에서는 줄기세포, 특히 중간엽줄기세포를 이용한 임상적 적용에 대한 토의와 다양한 치료기술개발에 관한 연구결과를 공유하였다.
이 분야의 세계적인 권위자인 아Cell놀드 카플란 교수 및 이량화 교수가 발표한 내용은 여러 조직에서 유래한 중간엽줄기세포의 주변분비작용(Paracrine Effect)을 통한 치료효과를 규명하고 이 작용에 관여하는 단백질을 탐구하여 새로운 단백질 신약을 개발하는 패러다임을 소개하였다는 점에서 줄기세포에 대한 최근 연구 트렌드가 점차 바뀌고 있음을 알 수 있다.
그림 3 에 세포 간 Cellular Communication에 의한 Cell Free Therapy의 개념도를 보면, 쉬운 예로 피부에 상처가 발생하여 재생이 필요한 세포(Recipient Cell)가 생기게 된다면 그 주변의 피부 줄기세포(MSC)가 재생이 필요한 세포의 상태를 인지(Cellular Communication)하여 재생에 필요한 다양한 생리활성물질(인체 유래 단백질 제제)을 분비함으로써 세포의 재생, 즉 질병의 치료가 이루어질 수 있음을 나타낸다.
줄기세포 배양액 화장품
인체 유래 단백질 제제(통상 줄기세포 배양액이라 함)의 상용화는 2006년 국내 바이오업체에 의해 최초로 인간 지방유래 줄기세포 배양액을 이용한 화장품 원료 개발이라고 할 수 있으며, 이 원료를 이용한 화장품을 통상 줄기세포 화장품, 더 정확하게는 줄기세포 배양액 화장품이라고 할 수 있다.
줄기세포 배양액 화장품의 개발은 줄기세포를 배양하는 과정에서 분비되는 다양한 물질 중 피부의 노화 예방, 주름 개선, 상처 치유 및 미백 효과와 관련된 단백질(통상 성장인자 및 사이토카인이라고 함) 성분이 함유되어 있다는 사실이 밝혀지면서 활발한 연구개발이 진행되었다.
줄기세포를 배양하는 과정에서 분비되는 물질 중 화장품 원료로 사용이 가능한 대표적인 물질로는 가장 많이 알려진 상피세포성장인자(EGF, Epidermal Growth Factor), 섬유아세포성장인자(FGF, Fibroblast Growth Factor) 등 피부세포 재생 효과를 나타내는 성장인자들, 피부 손상을 억제할 수 있는 항산화 물질, 손상된 피부를 빠르게 복구할 수 있는 혈관내피성장인자(VEGF, Vascular Endothelial Growth Factor) 및 항염 물질 등으로 구분할 수 있다.
국내외 줄기세포 화장품 개발 현황을 보면, Christian Dior 등 다국적 기업들도 참여를 하고 있지만 LG 생활건강, 프로스테믹스, 파미셀 등 인체 유래 단백질 제제(줄기세포 배양액)를 이용한 화장품 개발은 국내의 바이오 기업들이 주도하고 있음을 알 수 있다.
현재에도 (주)차바이오 앤디오스텍, (주)에스티씨라이프, 바이오에프디엔씨 등 국내에만 약 20여 개 정도의 바이오업체가 인체 유래 단백질 제제를 원료로 한줄기세포 배양액 화장품을 개발 및 생산하고 있다.
그러나 인체 유래의 조직이나 세포를 활용한 화장품 원료에 대해서는 국내 뿐 아니라 전 세계 대다수의 국가에서 엄격한 안전성 기준을 요구하고 있으며 실제로 EU 및 중동, 중국 및 유럽의 화장품 규정을 따르는 ASEAN 국가들에서는 인체 유래(Human
Origin)의 화장품 원료는 법으로 사용이 금지되어 있는 실정이다.
국내에서도 이러한 해외 규제를 근거하여 2009년 식품의약품안전처에서 인체 조직 및 세포로부터 유래된 물질 및 그 배양액은 화장품 원료로 사용하지 못하는 화장품법 개정안을 입법 예고한 이래, 현재에는 세포치료제 개발과 유사한 수준의 안전성 및 생산시설에 대한 가이드라인 및 규제안을 제정하여 관리하고 있다.
마치며
중간엽줄기세포는 인체 내 다양한 조직, 이를테면 제대혈, 골수, 지방, 신경, 혈액 등에서 얻을 수 있다.
현재 이러한 중간엽줄기세포 유래 단백질을 이용한 다양한 재생의학적 연구가 진행되면서 우선적으로 안티에이징 산업 분야를 통해 산업화가 진행되는 추세이다.
그러나 아직까지는 줄기세포의 단순 배양을 통해 얻어지는 배양배지를 이용한 코스메틱 원료 수준에 머무르고 있으며 이러한 수준을 넘어 본격적인 치료제 개발까지는 해결되어야 할 과제들이 있다.
특히 산업적인 측면에서 고려한다면 세포 자체를 사용하는 세포치료제와는 달리 줄기세포에서 분비되는 단백질을 이용한 소재 개발 및 이러한 소재를 이용한 제품 개발까지 일련의 개발 및 생산과정이 필수적이다.
또한 이러한 과정에서 경제성 및 안전성과 효용성을 확보할 수 있어야 산업적인 측면에서 의미가 있기에, 다양한 기원의 중간엽줄기세포에 대한 연구개발이 이루어지고 있다.
특히 이 중에서도 최근 가장 많은 주목 받고 있는 기원은 양수 내에 존재하는 줄기세포(Amniotic Fluid Derived Mesenchymal Stem Cell)이다.
2006년 12월에 처음으로 양수 내에 배아줄기세포와 유사한 성격의 줄기세포가 존재하고 있다는 것이 발견된 이후 다양한 연구결과를 통해 세포치료제 및 단백질 제제를 생산하기 위한 일종의 ‘바이오 팩토리(Bio Factory)’로서의 우수성이 밝혀지고 있다.
스템메디언스는 세계 최초로 양수 내 태아유래 중간엽줄기세포를 이용한 단백질 제제 생산 기술을 확보하여 치료제 연구개발 및 바이오 화장품 사업을 활발히 추진하고 있다.
창업 이래 매년 매출의 20% 이상을 연구개발비에 투자하여 전 세계에서 단일기업으로는 가장 많은 11개의 인체 줄기세포 유래 단백질 제제 화장품 원료를 개발하여 국제화장품원료사전(ICID)에 등록하였다.
다양한 산학연 공동연구 및 자체연구개발을 통해 화장품 원료뿐만 아니라 탈모방지 및 양모, 상처 치유, 아토피 등 다양한 피부질환에 적용할 수 있는 우수한 효능의 단백질 제제를 개발하였다.
이전까지는 기술적 한계로 여겼던 다양한 기술적 장벽들을 뛰어넘어 줄기세포의 보관방법 및 보존용 배지 조성물 개발, 줄기세포 증식용 무혈청 배양 조성물 개발 및 최적의 배양 시스템 확립, 기존 단백질 농도를 최대 50배 이상 향상시킨 고농도 단백질 제제 생산 기술 및 분석기법 등 혁신적인 기술성과들을 이루었다.
이를 인정받아 2013년도에는 “양수 내 태아유래 중간엽줄기세포 배양액을 이용한 발모 촉진 및 피부 상태 개선용 조성물 제조기술”로 국가신기술 인증을 받았으며 2014년에는 국내 최초로 장영실 기술혁신상을 수여하기도 하였다.
