중간엽 줄기세포

지역 줄기세포 중에서도 중간엽 줄기세포(MSC)는 특별한 위치를 차지하며, 이 줄기세포의 파생물은 인체의 모든 장기와 조직의 기질을 구성합니다. MSC 연구는 러시아 생물학계 전문가들이 주도하고 있습니다.

지난 세기 중반, A. Friedenstein의 연구실에서 골수의 다능성 기질줄기세포의 균질 배양액이 처음으로 분리되었습니다. 기질에 부착된 중간엽줄기세포는 오랫동안 높은 증식 강도를 유지했으며, 기질에 고정된 후 낮은 분주 밀도의 배양액에서는 식세포 활성이 없는 섬유아세포 유사 세포 클론을 형성했습니다. 중간엽줄기세포의 증식이 중단되면 시험관 내에서 뼈, 지방, 연골, 근육 또는 결합 조직 세포로 자발적으로 분화합니다. 추가 연구를 통해 다양한 포유류 종의 골수 기질에 존재하는 섬유아세포 유사 세포의 골 형성 가능성과 군집 형성 활성을 규명할 수 있었습니다. 생체 내 실험 결과, 군집 형성 섬유아세포 유사 세포의 이종 이식 및 동소 이식 모두 뼈, 연골, 섬유 조직 및 지방 조직 형성을 유도하는 것으로 나타났습니다. 골수 기질 줄기 세포는 단일 세포주 내에서 높은 자가 재생 능력과 다면적 분화 능력을 특징으로 하므로 다능성 중간엽 전구 세포라고 합니다.

중간엽줄기세포에 대한 기초 연구를 45년 이상 진행하면서, 임상에서 그 유도체를 사용할 수 있는 실질적인 환경이 조성되었다는 점에 주목할 필요가 있습니다.

오늘날 인체의 모든 조직은 증식, 이동, 분화, 성숙 과정을 거쳐 다양한 세포주의 줄기세포로 형성된다는 것은 의심의 여지가 없습니다. 그러나 최근까지만 해도 성체의 줄기세포는 조직 특이적, 즉 해당 조직에서만 특수화된 세포주를 생성할 수 있다고 믿어져 왔습니다. 이러한 개념적 입장은 조혈 줄기세포가 말초혈액의 세포 성분뿐만 아니라 간의 타원형 세포로도 변환된다는 사실에 의해 반박되었습니다. 또한, 신경 줄기세포는 신경세포와 신경교세포 성분, 그리고 조혈 전구세포의 초기 결정 계통을 생성할 수 있는 것으로 밝혀졌습니다. 또한, 일반적으로 뼈, 연골, 지방 조직의 세포 성분을 생성하는 중간엽 줄기세포도 신경 줄기세포로 변환될 수 있습니다. 성장, 생리적, 그리고 회복적 조직 재생 과정에서, 조직 비특이적 줄기 저장고에서 미결정 전구세포가 생성된다고 추정됩니다. 예를 들어, 근육 조직 복구는 중간엽 줄기 세포가 골수에서 골격근으로 이동함으로써 실현될 수 있습니다.

모든 연구자들이 줄기세포의 이러한 교차 호환성을 인정하는 것은 아니지만, 중간엽 줄기세포가 세포 이식의 원천이자 유전 정보의 세포 매개체로서 임상적으로 활용될 가능성은 더 이상 누구도 부인하지 않습니다. 골수 기질 줄기세포는 체외 배양에서 비교적 쉽게 분리 및 증식할 수 있으며, 다능성 또한 마찬가지입니다. 동시에 골수 기질 줄기세포의 잠재적 다능성에 대한 보고가 과학 문헌에 지속적으로 등장하고 있습니다. 특정 전환분화 유도제의 영향을 받아 중간엽 줄기세포가 신경 세포, 심근세포, 간세포로 전환되는 연구 프로토콜이 그 증거로 제시되고 있습니다. 그러나 일부 과학자들은 초기 배아 발생 시기부터 유전자의 반복적인 활성화 및 발현 가능성에 대해 심각한 의문을 제기합니다. 동시에, 중간엽 줄기세포의 다능성을 배아 줄기세포의 다능성으로 확장할 수 있는 조건이 마련된다면 재생 성형 의학 분야의 많은 윤리적, 도덕적, 종교적, 법적 문제가 저절로 해결될 것이라는 점은 누구나 인지하고 있습니다. 또한, 이 경우 재생 줄기세포 잠재력의 원천이 환자의 자가 줄기세포가 되므로, 세포 이식에 대한 면역 거부 반응 문제도 해결됩니다. 가까운 미래에 이러한 전망이 얼마나 현실적인지 알게 될 것입니다.

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의학에서의 중간엽줄기세포 활용

임상에서 중간엽 줄기세포 유도체의 사용은 주로 광범위하고 깊은 열 피부 병변으로 발생하는 조직 결함의 회복과 관련이 있습니다. 전임상 단계에서 동종이계 섬유아세포 유사 중간엽 줄기세포를 사용하여 깊은 화상을 치료하는 것의 타당성에 대한 실험적 평가가 수행되었습니다. 골수 섬유아세포 유사 중간엽 줄기세포는 배양 시 단층을 형성하여 이식을 통해 깊은 화상 상처의 재생 과정을 최적화할 수 있음을 보여주었습니다. 저자들은 배아 섬유아세포가 유사한 특성을 가지고 있지만, 기존의 윤리적 및 법적 문제로 인해 임상적 사용이 제한적이라고 지적합니다. 모든 피부층이 손상된 깊은 열 화상을 위스타 쥐를 모델로 삼았습니다. 화상 면적은 전체 피부 표면의 18-20%였습니다. 첫 번째 실험군은 깊은 열 화상을 입은 쥐와 동종이계 섬유아세포 유사 중간엽 줄기세포를 이식한 쥐를 포함했습니다. 두 번째 그룹은 심한 열 화상을 입은 동물과 동종 배아 섬유아세포를 이식한 동물로 구성되었습니다. 세 번째 그룹은 세포 치료를 받지 않은 심한 열 화상을 입은 대조군 쥐로 구성되었습니다. 섬유아세포 유사 중간엽 줄기세포와 배아 섬유아세포 현탁액을 피펫을 사용하여 2 x ¹⁰⁴ 의 양으로 화상 상처 표면에 도포했습니다.화상 모델링 후 2일째에 세포를 채취하고 괴사된 딱지를 제거했습니다.세포 이식 후 화상 표면을 겐타마이신이 함유된 등장성 염화나트륨 용액으로 적신 거즈 냅킨으로 덮었습니다.골수 세포를 채취하여 MSC를 얻은 후, 이를 성체 위스타 쥐의 대퇴골에서 채취한 섬유아세포 유사 중간엽 줄기세포 계열에 유도했습니다.14-17일 된 배아의 폐에서 배아 섬유아세포를 채취했습니다.MSC를 얻기 위한 배아 섬유아세포와 골수 세포는 37°C의 CO2 배양기에서 5% CO2, 습도 95%의 페트리 접시에서 예비 배양했습니다.배아 섬유아세포는 4-6일 동안 배양했고, MSC 단층을 형성하는 데는 14-17일이 걸렸습니다. 이후, 중간엽 줄기세포(MSC)를 동결보존하여 섬유아세포 유사 중간엽 줄기세포의 원료로 사용하였으며, 해동 후 4일간 배양하여 얻었다. 생성된 섬유아세포 유사 중간엽 줄기세포의 수는 동일 배양 기간 동안 생성된 배아 섬유아세포의 수보다 3배 이상 많았다. 배양 단계에서 화상 상처에 이식된 세포를 확인하기 위해, 대장균 β-갈락토시다제를 암호화하는 1ac-2 유전자를 포함하는 재조합 아데노바이러스 V형을 기반으로 한 바이러스 셔틀 벡터를 사용하여 유전체를 표지하였다. 이식 후 각기 다른 시점의 생존 세포를 X-Gal 기질을 첨가하여 동결절편을 만들고, 특징적인 청록색 염색을 유도하여 면역조직화학적으로 검출하였다. 화상 상처 상태에 대한 동적 시각적, 면적 측정적, 조직학적 평가 결과, 세포 이식 후 3일째에 이미 선택된 군에서 상처 진행 과정에 유의미한 차이가 나타남을 확인하였다. 이러한 차이는 세포 이식 후 7일째에 특히 두드러졌습니다. 섬유아세포 유사 중간엽 줄기세포를 이식한 첫 번째 군의 동물에서는 상처가 균일하고 진한 분홍색을 띠었고, 육아조직이 전체 영역에서 표피 수준까지 성장했으며, 화상 표면의 크기가 현저히 감소했습니다. 상처 표면에 형성된 콜라겐막은 다소 얇아졌지만, 여전히 전체 화상 부위를 덮고 있었습니다. 배아 섬유아세포를 이식한 두 번째 군의 동물에서는 육아조직이 상처 가장자리의 표피 수준까지 솟아올랐지만, 일부 부위에만 국한되었고, 상처에서 혈류가 첫 번째 군보다 더 심했으며, 처음에 형성된 콜라겐막은 거의 사라졌습니다. 세포 치료를 받지 않은 동물에서는 7일째 화상 상처가 창백하고, 구멍이 나 있으며, 괴사 조직이 피브린으로 덮여 있었습니다. 화상 표면 전체에 플라스모리아가 관찰되었습니다. 조직학적으로 1군과 2군 동물은 세포 침윤과 혈관망 발달이 감소했습니다.그리고 이러한 초기 재생 과정의 징후는 1군 쥐에서 더 두드러졌습니다.대조군에서는 상처의 세포 침윤 징후가 관찰되었고 새로 형성된 혈관의 조직학적 패턴은 없었습니다.관찰 15-30일째에 1군 동물의 화상 표면 면적은 다른 군 쥐보다 유의하게 작았고 과립화 표면이 더 발달했습니다.2군 동물에서도 화상 표면 면적이 대조군 쥐의 화상 상처 크기에 비해 감소했는데, 이는 변연 상피화로 인해 발생했습니다.대조군에서 화상 표면은 드물게 과립화가 있는 곳에서 창백했고, 혈관 별표가 나타났으며, 섬유소성 플라크 섬이 있었고, 중간 정도의 혈장 유출이 화상 표면 전체에 지속되었고, 분리하기 어려운 딱지가 일부 곳에 남아 있었습니다. 일반적으로 3군 동물의 경우 상처의 크기도 줄어들었지만 상처 가장자리는 여전히 침식된 상태로 남아 있었습니다.

따라서 섬유아세포 유사 중간엽 줄기세포와 배아 섬유아세포를 이용한 상처 치유 속도 비교 연구와 세포 치료를 사용하지 않은 경우의 상처 치유 속도를 비교 연구한 결과, 섬유아세포 유사 중간엽 줄기세포와 배아 섬유아세포 이식은 화상 표면 치유 속도의 가속화를 확인했습니다. 그러나 동종 섬유아세포 유사 중간엽 줄기세포를 사용한 경우, 배아 섬유아세포 이식보다 상처 치유 속도가 더 빨랐습니다. 이는 재생 과정의 단계적 변화, 즉 세포 침윤 기간 감소, 혈관망 성장 속도 증가, 그리고 육아조직 형성의 가속화로 나타났습니다.

동적 면적 측정 결과, 화상 상처의 자연 치유율(세포 치료를 사용하지 않은 경우)이 가장 낮았습니다. 동종이형 섬유아세포 유사 중간엽 줄기세포 이식 후 15일과 30일째에 배아 섬유아세포 이식보다 상처 치유율이 더 높았습니다. 베타-갈락토시다아제를 검출하기 위한 조직화학적 방법은 섬유아세포 유사 중간엽 줄기세포와 배아 섬유아세포 이식 후 이식된 세포가 전체 관찰 기간 동안 재생 상처의 표면과 심부에서 생존 가능한 상태를 유지함을 보여주었습니다. 저자들은 섬유아세포 유사 중간엽 줄기세포를 사용했을 때 화상 상처 재생율이 더 높은 것은 성숙 과정에서 이러한 세포가 생물학적으로 활성인 성장 자극 인자를 방출하기 때문이라고 생각합니다.

화상 상처 치료를 위한 자가 또는 동종이형 각질세포와 동종이형 섬유아세포 이식 또한 임상에서 사용되고 있습니다. 광범위 심부 화상을 입은 소아의 수술적 치료는 높은 외상성, 여러 차례의 수술적 개입, 상당한 출혈, 그리고 사용된 주입 매체에 대한 다양한 반응으로 인해 복잡한 과정이라는 점에 유의해야 합니다. 체표면적의 40%를 초과하는 광범위 심부 화상에 대한 피부 성형수술의 주요 어려움은 환자의 상태가 심각하고 기증 피부 자원이 부족하다는 점입니다. 천공 계수가 높은 메시 이식편을 사용하더라도 천공 후 형성된 세포가 상피화 속도가 매우 느리고 피부판 자체가 종종 용해되거나 건조해지기 때문에 문제를 해결할 수 없습니다. 이종피부, 사체 동종이식편, 합성 필름 피복재와 같은 화상 상처 피복재는 항상 효과적인 것은 아니므로, 배양된 각질세포와 섬유아세포 층으로 화상 표면을 덮는 새로운 방법이 개발되고 있습니다. 특히, 배양된 동종섬유아세포를 이용하여 화상 표면을 덮는 방법이 제안되었는데, 이 세포를 이식하면 경계성 화상의 상처에 보존된 표피세포와 망사 이식편의 격막 내 각질세포의 증식에 현저한 자극 효과가 있습니다. L. Budkevich와 공동 저자(2000)의 연구는 이 방법을 소아 화상 치료에 사용한 결과를 제시합니다. 이 연구에는 1세에서 14세 사이의 열 외상을 입은 소아 31명이 참여했습니다. 3명의 어린이에서 IIIA-B-IV 등급 화상 상처의 총 면적은 신체 표면의 40%, 25명은 50-70%, 다른 3명은 71-85%였습니다. 조기 외과적 괴사 절제술은 배양된 이종섬유아세포 이식과 자가피부성형술과 병행되었습니다. 치료의 첫 번째 단계는 괴사 조직 절제를 포함하고, 두 번째 단계는 캐리어 필름에 배양된 이종섬유아세포를 이식하는 것을 포함하고, 세 번째 단계(배양된 이종섬유아세포 이식 후 48시간)는 기질을 제거하고 천공 비율이 1:4인 피부 플랩을 이용한 자가피부성형술을 포함합니다. 중증 화상 질환으로 병원에 입원한 3명의 환자는 배양된 이종섬유아세포를 육아상처에 이식했습니다. 배양된 이종섬유아세포 이식은 18명의 어린이에게 1회, 11명의 어린이에게 2회, 2명의 환자에게 3회 시행되었습니다. 세포 배양으로 덮인 상처 표면 면적은 30~3,500cm²였습니다. 배양된 동종섬유아세포의 효과는 피부 이식편 생착률, 화상 치유 시간, 그리고 심각한 열 외상으로 인한 사망자 수를 통해 평가했습니다. 환자의 86%에서 이식편 생착이 완료되었습니다. 14%의 사례에서 피부 이식편의 부분적인 생착 실패가 관찰되었습니다. 이러한 치료에도 불구하고 6명(19.3%)의 소아가 사망했습니다. 이들의 총 피부 손상 면적은 체표면적의 40~70%였습니다.배양된 동종섬유아세포 이식은 어떤 화상 환자의 사망률과도 관련이 없었습니다.

치료 결과를 분석한 결과, 저자들은 이전에는 체표면적의 35~40%를 덮는 심부 열 피부 손상은 생명과 양립할 수 없는 것으로 간주되었다고 지적했습니다(3세 이하 어린이의 경우 체표면적의 30%를 덮는 심부 화상이 중요하고, 그보다 나이가 많은 어린이의 경우 체표면적의 40% 이상을 덮는 심부 화상이 중요함). 배양된 이종섬유아세포 이식을 동반한 외과적 괴사절제술과 높은 천공계수를 가진 피부판을 이용한 자가피부성형술을 시행할 경우, IIIB~IV도 화상은 여전히 위험하지만, 현재로서는 이러한 환자조차도 생명을 구할 수 있는 가능성이 많습니다. 심부 화상을 입은 소아에서 배양된 이종섬유아세포 이식과 자가피부성형술을 병행한 외과적 괴사절제술은 공여 부위가 부족한 광범위한 피부 병변 환자에게 특히 효과적인 것으로 입증되었습니다. 적극적인 수술 전략과 배양된 이종섬유아세포 이식은 이러한 환자들의 전반적인 상태를 빠르게 안정화시키고, 화상 질환의 감염 합병증 발생률을 감소시키며, 이식편 생착에 유리한 환경을 조성하고, 손상된 피부 회복 기간과 입원 치료 기간을 단축시키며, 광범위한 화상 환자의 사망 빈도를 감소시키는 데 기여합니다. 따라서 배양된 이종섬유아세포 이식과 피부 피판을 이용한 자가피부성형술은 이전에는 불운하다고 여겨졌던 중증 화상 소아의 회복을 가능하게 합니다.

화상 질환 치료의 주요 목표는 손상된 피부를 최대한 완전하고 신속하게 회복시켜 독성, 감염 합병증 및 탈수를 예방하는 것입니다. 배양 세포 사용의 결과는 화상 상처 자체가 이식에 적합한지에 크게 좌우됩니다. 외과적 괴사절제술 후 배양된 각질세포를 상처 표면에 이식하는 경우, 이식된 세포의 평균 55%(면적 기준)가 생착되는 반면, 육아종성 상처의 경우 생착률은 15%로 감소합니다. 따라서 광범위한 심부 피부 화상의 성공적인 치료를 위해서는 무엇보다도 적극적인 수술적 전략이 필요합니다. IIIB-IV도 화상 상처의 경우, 화상 표면의 괴사 조직을 즉시 제거하여 중독을 줄이고 화상 질환의 합병증 발생률을 줄입니다. 이러한 전략은 화상을 입은 순간부터 상처가 아물 때까지 걸리는 시간과 광범위한 화상 환자의 입원 기간을 단축하고, 사망 사례 수를 크게 줄이는 데 핵심적인 역할을 합니다.

배양된 각질형성세포를 화상 부위에 성공적으로 사용한 사례는 1980년대 초에 처음 보고되었습니다. 이후, 이러한 조작은 배양된 각질형성세포층을 이용하여 수행되었는데, 이 세포층은 대부분 자가세포에서 얻었고, 알로케라티노사이트에서 얻은 경우는 훨씬 적었습니다. 그러나 자가각질형성세포성형술 기술은 세포은행을 구축할 수 없으며, 충분한 면적의 각질형성세포를 이식하는 데 걸리는 시간이 3~4주로 매우 깁니다. 이 기간 동안 화상 질환의 감염 및 기타 합병증 발생 위험이 급격히 증가하여 환자의 총 입원 기간이 크게 연장됩니다. 또한, 자가각질형성세포는 과립화 화상 상처에 이식할 경우 사실상 뿌리를 내리지 못하며, 특수 성장 배지와 각질형성세포 성장 촉진제의 높은 가격으로 인해 임상적 사용이 크게 제한됩니다. 콜라겐성형술, 냉동보관된 제노스킨 이식, 그리고 다양한 생체고분자 코팅과 같은 다른 생명공학적 방법들은 광범위한 표재성 화상(깊지는 않지만) 치료 효과를 높입니다. 배양된 섬유아세포로 상처 표면을 덮는 방법은 각질세포가 아닌 섬유아세포를 배양 세포층의 주요 구성 요소로 사용한다는 점에서 근본적으로 다릅니다.

이 방법 개발의 전제 조건은 소혈관을 둘러싼 혈관주위세포가 섬유아세포로 전환될 수 있는 전구 중간엽 세포라는 점이었습니다. 섬유아세포는 다양한 성장 인자를 생성하고 각질형성세포의 증식과 부착에 대한 강력한 자극 효과로 인해 상처 치유를 촉진합니다. 배양된 섬유아세포를 사용하여 상처 표면을 봉합한 결과, 배양된 각질형성세포를 사용하는 경우와 비교하여 이 방법의 여러 가지 중요한 장점이 즉시 드러났습니다. 특히, 배양된 섬유아세포를 얻는 데는 특수 영양 배지와 성장 자극제를 사용할 필요가 없으므로 각질형성세포를 얻는 비용에 비해 이식 비용이 10배 이상 절감됩니다. 섬유아세포는 쉽게 부동태화되는데, 이 과정에서 표면 조직 적합성 항원을 부분적으로 잃게 되므로, 이식편 제조 및 뱅크 구축에 동종이계 세포를 사용할 가능성이 열립니다. 임상에서 사용할 수 있는 이식편을 얻는 데 걸리는 시간이 각질세포의 경우 3주에서 섬유아세포의 경우 1~2일로 단축됩니다. 자가피부성형술 중 채취한 피부 조각의 세포를 배양하여 일차 섬유아세포 배양액을 얻을 수 있으며, 인간 섬유아세포 계대배양을 위한 세포 파종 밀도는 1cm²당 20 x ^103에 불과합니다.

섬유아세포와 그 조절 단백질이 각질형성세포의 증식 및 분화에 미치는 영향을 연구하기 위해, 인간 섬유아세포와 공동 배양하여 I형 및 III형 콜라겐 기질과 피브로넥틴에 대한 각질형성세포의 형태 및 증식을 비교 분석하였다. 자가피부성형술 중 채취한 화상 환자의 피부 절편에서 인간 각질형성세포를 분리하였다. 각질형성세포의 증식 밀도는 1cm²당 50 x 103개의 세포였다. 배양된 섬유아세포 이식의 임상적 효능은 517명의 환자를 대상으로 평가하였다. 모든 환자는 두 그룹으로 나누었다. 그룹 1 - IIA, B~IV도 화상을 입은 성인 환자; 그룹 2 - IIIB~IV도 심부 화상을 입은 소아 환자. 재생 과정에서 글리코사미노글리칸, 피브로넥틴, 콜라겐의 역할을 고려하여 단층 배양 섬유아세포의 구조적 및 기능적 조직의 역학을 평가한 결과, 저자들은 이식편 제작에 섬유아세포 배양을 사용하기에 가장 적합한 시기로 3일차를 선정했습니다. 섬유아세포가 각질형성세포의 증식 및 분화에 미치는 영향에 대한 연구에서, 시험관 내 섬유아세포는 특히 각질형성세포 접착 과정에 현저한 자극 효과를 나타내어, 부착 세포 수와 고정 속도를 2배 이상 증가시키는 것으로 나타났습니다. 접착 과정의 자극은 DNA 합성 강도와 각질형성세포의 증식 수준을 증가시킵니다. 또한, 섬유아세포와 섬유아세포가 형성하는 세포외기질의 존재는 각질형성세포의 토노피브릴라 장치 형성, 세포 간 연결, 그리고 궁극적으로 각질형성세포의 분화 및 기저막 형성에 필수적인 조건임이 밝혀졌습니다. 심한 화상을 입은 소아의 치료에서, 특히 공여 부위 결핍 상태에서 광범위한 피부 병변을 가진 환자군에서 이종섬유아세포 배양 이식의 높은 임상적 효율이 확립되었습니다.포괄적인 형태기능 연구에 따르면, 이식된 섬유아세포는 세포가 형성하는 세포외 기질의 일부인 DNA, 콜라겐, 피브로넥틴, 글리코사미노글리칸의 활발한 합성을 특징으로 합니다.저자들은 이식된 섬유아세포의 높은 생착률(최대 96%), 이식 시간의 급격한 단축(각질세포를 사용하는 경우 2~3주가 아닌 24~48시간 이내), 화상 표면의 상피화의 상당한 가속, 그리고 각질세포 이식에 비해 섬유아세포에서 이식편을 배양하는 기술의 비용(10배)이 상당히 감소한 점을 지적합니다. 배양된 이종섬유아세포 이식을 사용하면 신체 표면의 50% 이상이 열로 손상된 중증 화상을 입은 어린이의 생명을 구할 수 있습니다.이전에는 생명과 양립할 수 없다고 여겨졌던 것입니다. 동종 배아 섬유아세포 이식을 통해 다양한 정도와 부위의 화상을 입은 환자들의 상처 재생과 회복 속도가 빨라졌을 뿐만 아니라 사망률도 현저히 감소했다는 사실이 설득력 있게 입증되었습니다.

자가 섬유아세포는 성대 손상 재건 교정과 같은 복잡한 성형외과 영역에서도 사용됩니다. 소 콜라겐이 이러한 목적으로 일반적으로 사용되며, 작용 시간은 면역원성에 의해 제한됩니다. 소 콜라겐은 외래 단백질이기 때문에 수혜자의 콜라게나제에 민감하여 면역 반응을 일으킬 수 있습니다. 이러한 위험을 줄이기 위해 글루타르알데히드와 가교 결합된 콜라겐 제제를 얻는 기술이 개발되었습니다. 이 기술은 안정성이 높고 면역원성이 낮다는 장점이 있으며, 성대 결손 및 위축 제거에 실질적으로 적용되고 있습니다. 자가 콜라겐 주사는 1995년에 처음 사용되었습니다. 이 기술은 분자 내 효소 촉매 가교 결합을 포함하여 자가 콜라겐 섬유의 1차 구조를 보존했습니다. 사실 천연 콜라겐 섬유는 텔로펩타이드가 절단된 재구성 콜라겐보다 프로테아제에 의한 파괴에 더 강합니다. 텔로펩타이드의 완전성은 콜라겐 섬유의 4차 구조와 인접한 콜라겐 분자 간의 가교 결합 형성에 중요합니다. 소 콜라겐 제제와 달리 자가 콜라겐은 수혜자에게 면역 반응을 일으키지 않지만, 보충제로서 충분히 효과적이지 않습니다. 자가 섬유아세포 이식을 통한 국소 콜라겐 생성을 통해 안정적인 교정이 가능합니다. 그러나 임상에서 자가 섬유아세포 이식의 효과를 연구하는 과정에서 몇 가지 어려움이 발견되었습니다. 섬유아세포 이식 후 초기에는 소 콜라겐 도입 후보다 임상 효과가 약했습니다. 자가 섬유아세포 배양 시, 섬유아세포와 콜라겐 섬유의 특이적인 상호작용으로 인한 콜라겐 겔의 수축을 통해 섬유화 및 흉터 형성을 유발하는 병적인 섬유아세포, 즉 근섬유아세포로 전환될 가능성을 배제할 수 없습니다. 또한, 시험관 내에서 연속적으로 배양한 후 섬유아세포는 세포외 기질 단백질을 합성하는 능력을 상실합니다.

그러나, 위에서 언급한 단점을 제거하고 정상 섬유아세포의 종양성 형질 전환을 초래하지 않는 자가 인간 섬유아세포 배양 방법이 현재 실험적으로 개발되었습니다. 이 방법을 사용하여 얻은 자가 섬유아세포는 연조직의 결함을 복원하는 데 사용됩니다. G. Keller 등(2000)의 연구에서 주름과 위축성 흉터가 있는 37~61세 환자 20명을 치료했습니다. 후이개 부위의 피부 생검(4mm)을 10ml의 배양 배지(항생제, 살균제, 피루브산, 태아 송아지 혈청이 포함된 Eagle 배지)가 들어 있는 멸균 시험관에 담아 실험실로 운반했습니다. 이 물질을 직경 60mm의 배양 접시 3~5개에 넣고 5% CO2가 포함된 분위기의 항온기에서 배양했습니다. 1주일 후, 트립신 처리를 통해 접시에서 세포를 꺼내 25cm2 바이알에 넣었습니다. 세포는 4 x 107의 양으로 환자에게 주입되었습니다. 비인두 주름 교정 기간 동안 환자와 자가 섬유아세포의 세 번째 이식 후 7개월과 12개월에 흉터가 있는 환자에서 유의미하고 지속적인 임상 효과가 관찰되었습니다. 유세포 분석에 따르면, 배양된 섬유아세포는 다량의 I형 콜라겐을 생성했습니다. 시험관 내 연구에서는 주입된 섬유아세포의 정상적인 수축성을 보였습니다. 배양된 섬유아세포를 4 x 107 세포의 용량으로 피하 투여한 지 2개월 후, 누드 마우스에서 종양이 검출되지 않았습니다. 주입된 섬유아세포는 환자에게 흉터 형성이나 미만성 섬유증을 유발하지 않았습니다. 저자에 따르면, 이식된 자가 섬유아세포는 지속적으로 콜라겐을 생성할 수 있어 미용적 회춘 효과를 제공할 수 있습니다. 동시에, 분화된 세포의 수명이 제한되어 있기 때문에 젊은 환자에게서 채취한 섬유아세포가 노인에게서 채취한 섬유아세포보다 더 효과적입니다. 앞으로 젊은 기증자로부터 채취한 섬유아세포 배양액을 냉동보관하여 나중에 자신의 젊은 세포를 고령 환자에게 이식하는 것이 가능할 것으로 예상됩니다. 결론적으로, 자가 섬유아세포가 기능적으로 보존된다면 안면 연조직 결함을 교정하는 이상적인 수단이라고 결론짓는 것은 전적으로 옳지 않습니다. 동시에 저자는 연구 과정에서 자가 섬유아세포-콜라겐 시스템 사용과 관련된 몇 가지 문제점이 발생했다고 지적합니다. 임상 효과는 소 콜라겐을 사용했을 때보다 종종 약해져서 환자들이 실망감을 느꼈습니다.

일반적으로 중간엽 줄기세포의 임상적 활용 가능성에 대한 문헌 자료는 매우 낙관적입니다. 자가 골수 다능성 중간엽 전구세포를 이용하여 퇴행성 관절 병변을 치료하려는 시도가 진행 중입니다. 복잡한 골절 치료에 배양된 중간엽 전구세포를 사용하는 최초의 임상 시험이 진행 중입니다. 자가 및 동종 중간엽 골수 기질세포는 외상이나 자가면역 병변으로 인한 관절 연골 결손을 교정하기 위해 이식용 연골 조직을 만드는 데 사용됩니다. 1형 콜라겐 유전자 돌연변이로 인한 중증 불완전 골형성 소아의 골 결손을 제거하기 위해 다능성 중간엽 전구세포를 임상적으로 사용하는 방법도 개발되고 있습니다. 골수제거술 후, 수혜 아동은 HLA가 일치하는 건강한 공여자의 골수를 이식받습니다. 미분획 골수는 심각한 골 결손을 보상하기에 충분한 수의 중간엽 줄기세포를 함유할 수 있기 때문입니다. 동종 골수 이식 후, 이러한 아동들은 해면골의 조직학적 변화, 성장 속도 증가, 그리고 골절 발생률 감소를 보였습니다. 경우에 따라 근연종 동종 골수와 조골세포를 이식하여 긍정적인 임상 결과를 얻기도 합니다. 중간엽 줄기세포 이식은 골 조직 내 조골세포와 파골세포의 불균형으로 인한 선천적 골 취약성을 치료하는 데에도 사용됩니다. 이 경우, 환자의 골 조직 내 줄기세포와 전구 기질 세포 풀의 키메라화를 통해 골 형성을 회복합니다.

기증자 중간엽 줄기세포의 유전적 결함을 교정하기 위한 유전자 변형 방법의 개선이 지속되고 있습니다. 가까운 미래에 중간엽 전구세포는 신경학에서 뇌세포의 표적 키메라화 및 질병의 임상적 증상을 유발하는 효소 또는 인자 결핍을 생성할 수 있는 건강한 세포 풀 생성에 활용될 것으로 예상됩니다. 중간엽 줄기세포 이식은 방사선 및 화학 요법 후 암 환자의 골수 기질을 회복하는 데 사용될 수 있으며, 골수 세포와 병용하여 조혈 기능을 회복하는 데에도 활용될 수 있습니다. 중간엽 줄기세포를 이용한 근골격계 결함 제거를 목표로 하는 대체 요법의 개발은 중간엽 줄기세포 자손으로 구성된 골격을 형성하는 기질 생체재료 또는 생체모방 기술 분야의 공학적 발전을 통해 촉진되고 있습니다.

중간엽줄기세포의 공급원

중간엽 줄기세포의 주요 공급원은 골수입니다. 포유류 체내의 조혈 줄기세포는 지속적으로 혈액 및 면역계 세포로 분화합니다. 중간엽 줄기세포는 골수 기질의 섬유아세포 유사 세포로 구성된 소수의 집단으로, 조혈 줄기세포의 미분화 상태를 유지하는 데 기여합니다. 특정 조건에서 중간엽 줄기세포는 연골 및 골 조직 세포로 분화합니다. 저밀도 배양 조건의 배지에 파종하면 골수의 단핵 기질 세포가 접착 세포 군집을 형성하는데, 이는 섬유아세포 유사 다능성 중간엽 전구 세포입니다. 일부 저자들은 미분화 중간엽 줄기세포가 골수에 축적되며, 자가 재생 능력과 높은 분화 잠재력 덕분에 포유류의 일생 동안 신체의 모든 조직에 기질 요소의 중간엽 전구체를 제공한다고 생각합니다.

골수에서 기질 세포 요소들은 굴혈관과 골 조직 사이의 공간을 채우는 네트워크를 형성합니다. 성인 골수에서 휴면 상태의 중간엽 줄기세포(MSC)의 함량은 조혈모세포의 양과 유사하며 0.01~0.001%를 넘지 않습니다. 골수에서 분리하여 배양하지 않은 중간엽 줄기세포는 접착 분자가 없습니다. 이러한 중간엽 줄기세포는 CD34, ICAM, VCAM, I형 및 III형 콜라겐, CD44, CD29를 발현하지 않습니다. 결과적으로, 시험관 내에서 배양 기질에 고정되는 것은 중간엽 줄기세포가 아니라, 세포골격과 세포 접착 분자 수용체 장치의 구성 요소를 이미 형성한 중간엽 줄기세포의 더 발달된 전구체 유도체입니다. CD34 표현형을 가진 기질 세포는 말초 혈액에서도 발견되지만, 골수에서는 CD34 양성 단핵세포보다 그 수가 훨씬 적습니다. 혈액에서 분리하여 배양한 CD34 세포는 기질에 부착하여 섬유아세포와 유사한 세포 군집을 형성합니다.

배아기에는 포유류와 인간의 모든 장기와 조직의 기질 기저부가 기관 형성 단계 이전과 그 시점에 공통적인 중간엽 줄기세포 풀에서 발생한다는 것이 알려져 있습니다. 따라서 성숙한 생물체에서는 대부분의 중간엽 줄기세포가 결합 조직과 골 조직에 존재한다고 여겨집니다. 느슨한 결합 조직과 골 조직의 기질 세포 구성 요소의 대부분은 수임된 전구 세포로 구성되어 있지만, 이 세포는 시험관 내에서 증식하고 클론을 형성하는 능력을 유지하는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 세포를 일반 혈류에 도입하면 중간엽 전구 세포의 20% 이상이 조혈 조직과 실질 기관의 기질 구성 요소 사이에 이식됩니다.

중간엽 줄기세포의 잠재적 공급원은 지방 조직이며, 이 지방 조직에서 다양한 정도로 분화된 지방세포 전구체가 확인되었습니다. 지방 조직의 가장 미성숙한 전구체 요소는 기질-혈관 세포로, 골수의 다능성 중간엽 전구세포와 마찬가지로 글루코코르티코이드, 인슐린 유사 성장 인자, 그리고 인슐린의 영향으로 지방세포로 분화할 수 있습니다. 배양 시 기질-혈관 세포는 지방세포와 연골세포로 분화되며, 골수 유래 지방 조직에는 지방세포와 골아세포를 형성하는 세포가 존재합니다.

근육에서도 기질 줄기세포가 발견되었습니다. 인간 골격근에서 분리한 세포의 일차 배양에서 성상세포와 다핵 근관이 검출되었습니다. 말 혈청 존재 하에서 성상세포는 세포 분화의 징후 없이 시험관 내에서 증식하며, 영양 배지에 덱사메타손을 첨가하면 골격근 및 평활근 세포, 뼈, 연골, 지방 조직의 표현형을 가진 세포 요소가 나타나는 것이 분화의 특징입니다. 따라서 인간 근육 조직에는 결정된 다분화능 중간엽 전구세포와 결정되지 않은 다분화능 중간엽 전구세포가 모두 존재합니다. 골격근에 존재하는 전구세포 집단은 골수의 결정되지 않은 다분화능 중간엽 전구세포에서 유래하며, 근형 위성세포와는 다르다는 것이 밝혀졌습니다.

신생 쥐의 심근에서도 분화능이 있는 다능성 중간엽 전구세포에 상응하는 점착성 별상세포가 발견되었는데, 이는 덱사메타손의 영향으로 지방세포, 골모세포, 연골세포, 평활근 세포, 골격근 근관세포, 심근세포로 분화되기 때문이다. 혈관 평활근 세포(주위세포)는 미분화된 혈관주위 다능성 중간엽 전구세포의 유도체임이 밝혀졌다. 배양된 혈관주위 중간엽 줄기세포는 평활근 α-액틴과 혈소판 유래 성장인자 수용체를 발현하며, 적어도 평활근 세포로 분화할 수 있다.

줄기세포 보유량 측면에서 특별한 위치를 차지하는 것은 연골 조직인데, 이 연골 조직의 극히 낮은 회복 잠재력은 다능성 중간엽 전구세포 또는 분화 및 성장 인자의 결핍 때문으로 여겨진다. 연골 및 골 형성에 관여하는 다능성 중간엽 전구세포가 다른 조직에서 연골 조직으로 유입되는 것으로 추정된다.

힘줄 내 중간엽 전구세포의 조직 기원 및 정착 조건 또한 확립되지 않았습니다. 실험 관찰 결과, 출생 후 초기 토끼 아킬레스건 세포는 일차 배양과 첫 번째 계대 배양에서 I형 콜라겐과 데코린의 발현을 유지하지만, 배양을 계속할수록 건세포의 분화 마커가 소실되는 것으로 나타났습니다.

다양한 조직에 국한된 다능성 중간엽 전구 세포가 실제로 기질에 항상 존재하는지, 또는 중간엽 줄기 세포의 조직 풀이 골수 기질 줄기 세포의 이동을 통해 보충되는지에 대한 질문에 대한 답은 아직 나오지 않았습니다.

성체의 골수 및 기타 중간엽 조직 영역 외에도, 제대혈은 중간엽 줄기세포의 또 다른 공급원이 될 수 있습니다. 제대혈 정맥혈에는 다능성 중간엽 전구세포와 유사한 형태학적 및 항원적 특성을 가지고, 접착이 가능하며, 골수 유래 다능성 중간엽 전구세포보다 분화능이 열등하지 않은 세포가 포함되어 있는 것으로 나타났습니다. 제대혈 중간엽 줄기세포 배양에서 5~10%의 미확정 다능성 중간엽 전구세포가 발견되었습니다. 제대혈 내 이러한 세포의 수는 재태 연령에 반비례하는 것으로 나타났으며, 이는 태아 발달 과정에서 다능성 중간엽 전구세포가 다양한 조직으로 이동함을 간접적으로 시사합니다. 태아줄기세포가 성인 수혜자의 장기 및 조직계에 통합, 이식, 기능할 수 있는 능력이 있다는 알려진 사실에 근거하여, 탯줄혈액에서 분리한 중간엽줄기세포와 배아 생체재료에서 얻은 중간엽줄기세포의 임상적 사용에 대한 최초의 정보가 나왔습니다.

중간엽줄기세포의 새로운 공급원을 찾아라

배아 유래 중간엽 줄기세포를 비롯한 다른 태아 세포의 사용은 여러 윤리적, 법적, 사법적, 입법적 문제를 야기합니다. 따라서 배아 외 공여 세포 물질에 대한 연구가 계속되고 있습니다. 인간 피부 섬유아세포의 임상적 활용 시도는 실패로 끝났는데, 이는 기술의 높은 재정 능력뿐만 아니라 섬유아세포가 증식 잠재력이 현저히 낮고 제한된 수의 성장 인자를 생성하는 섬유세포로 빠르게 분화한다는 점 때문에 미리 결정된 것이었습니다. 중간엽 줄기세포와 골수의 다능성 중간엽 전구세포의 생물학 연구에 대한 추가적인 진전을 통해 자가 중간엽 줄기세포의 임상적 활용 전략을 개발할 수 있었습니다. 중간엽 줄기세포의 분리, 배양, 생체 외 증식 및 표적 분화 기술은 무엇보다도 중간엽 줄기세포의 분자 마커 스펙트럼 연구를 필요로 했습니다. 분석 결과, 인간 골 조직의 일차 배양액에는 여러 유형의 다능성 중간엽 전구세포가 포함되어 있음이 밝혀졌습니다. 전골아세포(proosteoblast) 표현형은 기질 전구세포(stromal progenitor cell) 마커인 STRO-1을 발현하지만 골아세포 마커인 알칼리성 인산분해효소(alkaline phosphatase)를 발현하지 않는 세포에서 검출되었습니다. 이러한 세포는 무기질화된 골 기질을 형성하는 능력이 낮고, 오스테오폰틴(osteopontin)과 부갑상선 호르몬 수용체(parathyroid hormone receptor) 발현이 없는 것이 특징입니다. 알칼리성 인산분해효소를 발현하지 않는 STRO-1 양성 세포의 유도체는 중간 분화 및 완전 분화된 골아세포로 나타납니다. STRO-1 양성 인간 해면골 세포 복제 계통의 세포 구성 요소는 성숙한 골세포와 지방세포로 분화할 수 있는 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 세포의 분화 방향은 다중불포화지방산, 염증 유발 사이토카인인 IL-1β와 종양괴사인자 a(TNF-α), 그리고 항염증 및 면역억제 작용을 하는 TGF-β의 효과에 따라 달라집니다.

이후 다능성 중간엽 전구세포는 고유의 특정 표현형을 갖지 않지만, 조혈 세포의 면역표현형 항원인 CD45, CD34, CD14가 발현되지 않는 상황에서 중간엽, 내피, 상피, 근육 세포의 특징적인 마커 복합체를 발현한다는 것이 밝혀졌습니다. 또한, 중간엽 줄기세포는 조혈 및 비조혈 성장 인자, 인터루킨, 케모카인을 구성적, 유도적으로 생성하며, 일부 사이토카인 및 성장 인자 수용체가 다능성 중간엽 전구세포에서 발현됩니다. 5-플루오로우라실을 처리하지 않은 다능성 중간엽 전구세포의 항원 프로파일과 거의 동일한 면역표현형을 가진 휴면 세포 또는 휴지기 세포가 인체 기질 세포에서 발견되었습니다. 두 세포 모두 "성체" 줄기세포를 나타내는 CD117을 발현합니다.

따라서 중간엽 줄기세포에 고유한 세포 마커는 아직 규명되지 않았습니다. 휴면 세포는 골형성(Cbfa-1) 또는 지방형성(PPAR-γ-2)에 관여하는 세포의 마커를 발현하지 않으므로, 아직 결정되지 않은 다능성 중간엽 전구 세포 집단을 나타내는 것으로 추정됩니다. 느리게 증식하는 휴면 세포를 태아 소 혈청에 장기간 노출시키면 빠른 성장을 특징으로 하는 최종 분화된 결정 전구 세포가 형성됩니다. 이러한 중간엽 줄기세포의 클론 확장은 FGF2에 의해 뒷받침됩니다. 기질 줄기세포의 유전체는 매우 단단히 "폐쇄"되어 있는 것으로 보입니다. 중간엽 줄기세포에서 자발적 분화가 없다는 보고가 있는데, 결정에 필요한 특별한 조건이 없으면 중간엽 계통의 세포로도 분화되지 않습니다.

중간엽 줄기세포 유래물의 개체군 구조를 연구하기 위해 기질 세포주와 일차 배양에서 분화 마커 단백질을 탐색했습니다. 골수 콜로니 형성 세포의 시험관내 클론 분석 결과, 일차 배양에 EGF를 처리하면 평균 콜로니 크기가 증가하고 알칼리성 인산분해효소의 클론 발현이 감소하는 반면, 히드로코르티손을 첨가하면 중간엽 줄기세포 분화의 골형성 방향을 나타내는 마커인 알칼리성 인산분해효소의 발현이 활성화되는 것으로 나타났습니다. STRO-1에 대한 단일클론 항체를 이용하여 덱스터 배양의 이종 시스템에서 STRO-1 양성 접착 세포 집단을 분리하고 연구할 수 있었습니다. 조혈 및 림프 세포의 증식과 분화를 조절할 뿐만 아니라, 부분비, 자가 및 내분비 기전을 통해 골격 조직의 형성, 형성 및 재흡수에도 관여하는 다양한 사이토카인이 확인되었습니다. cAMP, 디아실글리세롤, 이노시톨 삼인산, Ca2+와 같은 2차 전달물질의 수용체 매개 방출은 해당 수용체를 발현하는 다양한 종류의 기질 조직 세포의 마커 분석에도 사용됩니다. 단일클론 항체를 마커로 사용함으로써 림프 기관 기질의 망상 세포가 T 및 B 의존 영역에 속함을 확인할 수 있었습니다.

한동안 MSC가 조혈줄기세포에서 유래했을 가능성에 대한 과학적 논쟁이 계속되었습니다. 실제로 골수 세포 현탁액을 단층 배양액에 이식하면 섬유아세포의 개별적인 콜로니가 자랍니다. 그러나 골수에 섬유아세포 콜로니의 전구체와 조혈 조직 분화의 다양한 새싹이 존재한다고 해서 이들이 조혈줄기세포에서 공통적으로 유래되었다는 증거는 아니라는 것이 밝혀졌습니다. 골수줄기세포의 판별분석을 통해 이소성 골수 이식 시 미세환경이 조혈세포에 의해 전달되지 않는다는 것이 확인되었으며, 이는 골수 내에 조혈세포와 조직유전학적으로 독립적인 MSC 집단이 존재함을 증명합니다.

또한, 선택적 클로닝 방법을 통해 골수 세포의 단층 배양에서 새로운 유형의 기질 전구 세포를 확인하고, 그 수를 측정하며, 그 특성, 증식 및 분화 잠재력을 연구할 수 있었습니다. 기질 섬유아세포 유사 세포는 시험관 내에서 증식하여 이배체 콜로니를 형성하고, 이 콜로니를 체내에 재이식하면 새로운 조혈 기관을 형성하는 것으로 나타났습니다. 개별 클론 연구 결과는 기질 전구 세포 중 증식 및 분화 잠재력을 통해 조혈 줄기 세포와는 조직유전학적으로 독립적으로 기질 조직의 줄기 세포 역할을 할 수 있는 세포 집단이 존재함을 시사합니다. 이 집단의 세포는 자가 지속적 성장을 특징으로 하며, 골수의 뼈, 연골 및 세망 조직의 전구 세포 요소로 분화합니다.

R. Chailakhyan과 공동 저자들(1997-2001)이 수행한 연구 결과는 매우 흥미롭습니다. 이들은 토끼, 기니피그, 생쥐의 골수 기질 전구세포를 송아지 태아 혈청을 첨가한 α-MEM 영양 배지에서 배양했습니다. 저자들은 1cm²당 2~4 x 103개의 골수 세포의 초기 밀도로 이식편을 제거했습니다. 방사선으로 불활성화된 동종 또는 이종 골수 세포를 피더(feeder)로 사용하여 피더 효과는 유지하되 증식을 완전히 차단하는 용량을 사용했습니다. 2주령의 섬유아세포 일차 분리 콜로니를 트립신 처리하여 단일클론 균주를 얻었습니다. 군집의 클론 기원에 대한 증거는 수컷 및 암컷 기니피그의 혼합 골수 배양, 생균 배양의 타임랩스 사진, 그리고 CBA 및 CBAT6T6 마우스의 동종 골수 혼합 배양에서 염색체 마커를 사용하여 얻었습니다. 신선하게 분리한 골수 세포 또는 시험관 내에서 배양한 기질 섬유아세포 현탁액을 신장 피막 아래에 이식하는 작업은 이발론 또는 젤라틴 다공성 지지체와 불활성화된 토끼 해면골 기질을 사용하여 수행했습니다. 골초에 클론을 이식하기 위해, 기니피그 대퇴골에서 연조직과 골막을 제거하고 골단을 다듬은 후 골수를 완전히 세척했습니다. 뼈를 조각(3-5 mm)으로 자르고 건조시킨 후 60 Gy의 선량을 조사했습니다. 섬유아세포의 개별 군집을 골초에 넣고 근육 내 이식했습니다. 시험관 내에서 배양한 기질 섬유아세포의 복강 내 이식을 위해 A형 확산 챔버(V=0.015 cm3, h=0.1 mm)와 O형 확산 챔버(V=0.15 cm3, h=2 mm)를 사용했습니다.

R. Chailakhyan 등(2001)은 클론 균주의 성장 역학을 연구하면서 섬유아세포 군집을 형성하는 개별 세포와 그 자손이 엄청난 증식 잠재력을 가지고 있음을 발견했습니다. 10번째 계대배양에서 일부 균주의 섬유아세포 수는 1.2~7.2 x 109 ^개 였습니다. 발달 과정에서 최대 31~34번의 세포 배가를 수행했습니다. 이 경우, 수십 개의 클론의 기질 전구체에 의해 형성된 골수 유래 균주의 이소성 이식은 골수 미세환경의 전이와 이식 영역에 새로운 조혈 기관의 형성을 초래했습니다. 저자들은 개별 클론이 기질 세포의 골수 미세환경을 전이할 수 있는지, 아니면 이를 위해 여러 다른 클론형성 기질 전구체의 협력이 필요한지에 대한 의문을 제기했습니다. 개별 클론이 미세환경을 전달할 수 있다면, 세 조혈모세포 모두에 완벽한 미세환경을 제공할 수 있을까요? 아니면 각 클론이 각기 다른 조혈모세포에 대한 미세환경을 형성할까요? 이러한 문제를 해결하기 위해, 콜라겐 젤에서 기질 전구세포를 배양하는 기술이 개발되었습니다. 이 기술을 통해 성장한 섬유아세포 콜로니를 표면에서 분리하여 이소성 이식(heterotop transplant)에 사용할 수 있습니다. CBA 마우스와 기니피그의 골수 세포에서 배양한 기질 섬유아세포의 개별 클론을 젤 코팅 조각과 함께 절제하여 동계 마우스의 신장 피막 아래 또는 자가 기니피그의 복근에 이소성 이식했습니다. 근육에 이식한 후, 젤 위의 콜로니를 골초(bone sheath)에 위치시켰습니다.

저자들은 골수 섬유아세포 군집을 이식한 후 50~90일이 지나면 이식 부위에서 20%의 경우 뼈 또는 뼈와 조혈 조직이 발달하는 것을 관찰했습니다.수용 동물의 5%에서 형성된 뼈 조직 병소에는 골수가 채워진 공동이 있었습니다.뼈 원통형 내부에는 이러한 병소가 둥근 모양이었고 골세포와 잘 발달된 골모세포층이 있는 뼈 조직으로 만들어진 캡슐이 있었습니다.골수 공동에는 골수와 적혈구 세포가 있는 망상 조직이 있었는데, 그 비례 관계는 정상 골수와 다르지 않았습니다.신장에서 이식은 원래 골수를 이식하는 동안 형성된 전형적인 골수 기관이었으며, 뼈 캡슐은 신장 캡슐 측면에서만 골수 공동을 덮었습니다.조혈 조직에는 골수, 적혈구 및 거핵구 요소가 포함되었습니다. 골수강의 기질은 잘 발달된 정맥동 시스템을 가지고 있었고 전형적인 지방 세포를 포함하고 있었습니다. 동시에, 조혈 징후가 없는 뼈 조직이 신장 피막 아래 일부 콜로니의 이식 영역에서 발견되었습니다. 개별 클론의 증식 및 분화 잠재력에 대한 연구는 토끼의 단일 클론 골수 균주에서 계속되었으며, 그 세포는 영양 배지에 재현탁되었고 1-2mg의 질량을 가진 별도의 이발론 스펀지에 담겨 토끼 골수 기증자의 신장 피막 아래에 이식되었습니다. 21개의 단일 클론 균주의 세포가 이러한 자가 이식에 적용되었습니다. 결과는 2-3개월 후에 고려되었습니다. 저자들은 14%의 사례에서 이식된 단일 클론 균주가 뼈 조직과 조혈 세포로 채워진 골수강으로 구성된 골수 기관을 형성한다는 것을 발견했습니다. 33%의 사례에서 이식된 균주는 공동에 골세포가 잠겨 있고 발달된 골모세포층이 있는 다양한 크기의 치밀한 뼈를 형성했습니다.어떤 경우에는 이식된 클론이 있는 해면에서 뼈나 조혈 요소가 없는 망상 조직이 발달했습니다.때로는 잘 발달된 동굴 모양의 네트워크가 있는 망상 스트로마가 형성되었지만 조혈 세포가 채워지지 않았습니다.따라서 얻은 결과는 콜라겐 젤에서 클론 이식 중에 얻은 데이터와 유사했습니다.그러나 기질에서 자란 클론을 이식한 경우 5%의 경우에서 골수 조직이 형성되고 15%의 경우에서 골 조직이 형성되고 80%의 경우에서 망상 조직이 형성되었지만, 단일 클론 균주를 이식한 경우 14%의 경우에서 골수 요소가 형성되고 53%의 경우에서 골 조직이 형성되고 53%의 경우에서 망상 조직이 형성되었습니다. 저자에 따르면, 이는 다공성 지지대에 이식하는 동안 기질 섬유아세포의 증식 및 분화 잠재력을 구현하기 위한 조건이 골 덮개와 콜라겐 기질에 이식하는 경우보다 더 최적임을 나타냅니다.더욱 발전된 클론 배양 및 역이식 방법을 사용하면 클론의 분화 잠재력 실현 조건을 개선하고 이러한 비율을 변화시킬 수 있을 것으로 예상됩니다. 어떤 방식으로든, 수행된 연구의 주요 의의는 일부 기질 세포 클론이 골 조직을 형성하고 동시에 세 가지 골수 조혈 세포(적혈구, 골수, 거핵구)를 위한 기질 조혈 미세환경을 동시에 제공하여 상당히 큰 조혈 조직 플랫폼과 약간의 골량을 형성할 수 있다는 것입니다.

저자들은 개별 클론형성 기질 전구 세포가 확산 챔버의 폐쇄된 시스템에서 이러한 유형의 세포 분화를 겪을 수 있는 능력에 대한 문제를 다루었습니다. 또한, 개별 클론이 다능성을 가지고 있는지, 아니면 분화 잠재력의 발현이 고정된 세포 분화 특성을 가진 여러 클론의 협력적인 상호작용을 필요로 하는지 확인해야 했습니다. 이러한 클론의 다양한 비율에 따라 뼈, 망상 또는 연골 조직의 우선적인 형성이 결정됩니다. R. Chailakhyan과 공동 저자(2001)는 골수 기질 전구 세포의 단일 클론 균주를 확보하여 확산 챔버에 이식하는 두 가지 방법론적 접근법을 결합하여 골수 기질의 구조적 구성을 이해하는 데 더 가까이 다가갈 수 있는 결과를 얻었습니다. 기질 전구 세포의 단일 클론 균주를 O형 챔버에 이식한 결과 뼈와 연골 조직이 모두 형성되었으며, 이는 단일 기질 군집 형성 세포의 자손이 뼈와 연골 조직을 동시에 형성할 수 있음을 시사합니다. 뼈와 연골 조직이 공통 기질 전구 세포에서 유래한다는 가정은 여러 차례 제시되어 왔습니다. 그러나 이 가설은 정확한 실험적 확증을 얻지 못했습니다. 확산실에서 뼈와 연골이 형성되는 것은 골수 기질 줄기 세포들 사이에 이 두 유형의 조직에 공통된 전구 세포가 존재함을 보여주는 필수적인 증거였습니다.

그런 다음 토끼 골수의 일차 배양에서 얻은 2~3차 계대의 29개 클론 균주를 확산 챔버에 넣고 상동 동물의 복강 내 이식했습니다.연구 결과 골수 단일클론 균주의 45%가 골형성 잠재력을 가지고 있는 것으로 나타났습니다.9개 챔버에는 망상 조직만 있었지만 13개 챔버에서는 뼈와 연골 조직과 함께 존재했으며, 이는 모든 균주의 76%를 구성했습니다.뼈와 연골 조직 모두의 분화가 가능한 O형 챔버에서 16개 균주를 연구했습니다.4개 챔버(25%)에서는 뼈와 연골 조직이 모두 형성되었습니다.R. Chailakhyan 등(2001)의 연구에서 개별 전구 세포가 세포 균주 내에서 31~34번 배가되었고, 그 자손은 0.9~2.0 x 109개의 세포로 구성되었다는 점을 다시 한 번 주목해야 ^합니다. 다클론 균주의 전구 세포가 겪은 유사 분열 수는 단일 클론 균주의 수와 거의 동일했습니다.다클론 균주의 발달 속도, 특히 형성의 첫 번째 단계에서는 균주를 시작하는 데 사용된 콜로니 수에 상당히 의존했습니다.인간 배아 섬유아세포(WI-38)의 이배체 균주는 12-15번째 배가 수준에서 재클로닝되었을 때 직경과 세포 함량이 다른 콜로니를 형성했습니다.103개 이상의 세포를 포함하는 큰 콜로니는 5-10%에 불과했습니다.분열 횟수가 증가함에 따라 큰 콜로니의 비율이 감소했습니다.골수 기질 섬유아세포의 단일 및 다클론 균주는 20회 이상 배가된 후에도 이배체 염색체 세트를 유지했으며 발달 경향은 배아 섬유아세포의 이배체 균주 발달 역학과 비슷했습니다. 단일클론 균주를 확산 챔버에 이식하여 개별 골수 기질 전구 세포의 분화 잠재력을 분석한 결과, 이들 중 절반이 골형성 세포임을 확인했습니다. 큰 콜로니는 전체 세포의 10%를 차지했습니다. 따라서 골형성 콜로니 형성 세포의 수는 전체 세포의 약 5%에 해당했습니다. 저자들이 확인한 골형성 전구 세포의 총량에는 뼈와 연골 조직을 동시에 형성할 수 있는 세포가 포함되어 있었습니다. 더욱이, 성체에서 이 두 유형의 조직이 공통적인 전구 세포를 가지고 있다는 사실이 처음으로 확인되었습니다. 시험된 클론의 25%가 이러한 세포에 의해 생성되었으며, 전체 전구 세포 집단에서 차지하는 비율은 최소 2.5%였습니다.

따라서, 골수 섬유아세포의 개별 클론을 이소성 이식함으로써 중간엽 전구세포 집단의 구조적 구성에 대한 새로운 측면이 밝혀졌습니다. 기질 전구세포는 모든 조혈모세포에 특정 미세환경을 동시에 전달할 수 있는 것으로 밝혀졌으며, 다양한 모델에서 연구된 대형 클론 중 이러한 세포의 수는 5~15%(검출된 전체 전구세포 수의 0.5~1.5%)에 이릅니다. 골수 미세환경 전체를 전달하는 클론 외에도, 골형성에만 관여하는 전구세포가 있는데, 이러한 세포는 개방형 시스템에서 이식될 경우 조혈 발달을 지원하지 않는 골 조직을 형성합니다. 이러한 세포는 전체 전구세포 수의 1.5~3%를 차지합니다. 이러한 세포 중 일부는 제한된 기간 동안 자가 유지하며 골 조직을 형성할 수 있습니다. 결과적으로, 기질 전구세포 집단은 분화 잠재력에 있어 이질성을 보입니다. 그중에는 골수 기질 조직의 특징인 세 방향으로 분화하여 뼈, 연골, 세망 조직을 형성할 수 있는 기질 줄기세포라고 주장하는 세포군이 있습니다. 제시된 데이터를 통해 다양한 세포 마커를 사용하여 덱스터 배양에서 각 유형의 기질 세포가 특정 미세환경의 구성 및 조혈에 미치는 영향을 파악할 수 있을 것으로 기대합니다.

중간엽줄기세포의 특징

최근 몇 년 동안, 고정 골수 배양에서 다능성 중간엽 전구세포는 낮은 군집 형성 능력과 증식 세포에 특이적인 Ki-67 항원의 발현 부재를 특징으로 하는 제한된 소과립성 세포(RS-1 세포) 집단으로 나타난다는 것이 밝혀졌습니다. 휴면 상태의 RS-1 세포의 항원 매개변수는 빠르게 증식하는 수임 기질 전구세포의 항원 스펙트럼과 다릅니다. 수임 전구세포의 높은 증식률은 RS-1 세포가 존재할 때만 관찰된다는 것이 밝혀졌습니다. 다시 말해, RS-1 세포는 다능성 중간엽 전구세포의 가장 성숙한 유도체에서 분비되는 인자의 영향으로 성장률이 증가합니다. RS-1 세포는 재활용이 가능한 미수임 중간엽 줄기세포의 하위 부류로 보입니다. 시험관 내에서 5-플루오로우라실 저항성 골수 기질 전구 세포는 낮은 RNA 함량과 증식하지 않는 세포의 표지자인 오르니틴 탈카르복실화효소 유전자의 높은 발현을 특징으로 합니다.

기질 전구세포는 기질에 고정된 후 집중적인 증식을 시작합니다. 이 경우, 저분화 세포의 마커 프로파일이 발현됩니다. SH2(TGF-(3) 수용체), SH3(신호전달 단백질 도메인), I형 및 III형 콜라겐, 피브로넥틴, 접착 수용체 VCAM-1(CD106) 및 ICAM(CD54), 카드헤린-11, CD44, CD71(트랜스페린 수용체), CD90, CD120a 및 CD124가 발현되지만, 조혈줄기세포의 특징적인 마커(CD34, CD14, CD45)는 발현되지 않습니다. 클론 증식을 통해 중간엽줄기세포를 반복적으로 계대 배양하여 수많은 유전적으로 동질적인 기질 전구 다능성 세포를 배양할 수 있습니다. 2~3회 계대 배양 후, 그 수는 5천만~3억 개에 달합니다. 충분한 밀도의 배양에서 증식이 멈춘 후, 조혈 조직 섬유아세포와 달리 기질 전구 세포는 지방세포, 근세포, 연골세포, 골세포로 분화합니다. 1-메틸-이소부틸잔틴(세포 내 cAMP 형성 유도제), 덱사메타손(포스포리파아제 A 및 C 억제제), 인도메타신(사이클로옥시게나아제 억제제이며 트롬복산 합성효소 활성도 감소시킴)을 포함한 세 가지 분화 조절 신호의 조합은 전구 중간엽 세포의 최대 95%를 지방세포로 전환합니다. 미성숙 기질 요소에서 지방세포가 형성되는 것은 지단백질 리파아제 유전자의 발현, 아폴리포단백질 및 과산화소체 수용체의 조직화학적 검출을 통해 확인됩니다. 무혈청 배지에서 TGF-β의 영향을 받는 동일 클론의 세포는 균질한 연골세포 집단을 생성합니다. 이 연골 조직의 다층 세포 배양은 프로테오글리칸과 II형 콜라겐으로 구성된 발달된 세포간 기질을 특징으로 합니다. 10%의 영양 배지에서, β-글리세로포스페이트(무기 인산염 공여체), 아스코르브산, 덱사메타손으로 구성된 분화 신호 복합체의 효과는 기질 전구 세포 배양액에서 세포 응집체 형성으로 이어집니다. 이러한 세포에서 알칼리성 인산분해효소 활성과 오스테오폰틴 수치의 점진적인 증가가 관찰되며, 이는 골 조직 형성을 시사하며, 세포의 무기질화는 세포 내 칼슘 함량의 점진적인 증가로 확인됩니다.

일부 자료에 따르면, 중간엽 줄기세포는 중간엽 분화 계통의 다양한 유형의 세포를 무한히 분열하고 증식할 수 있는 능력과 높은 가소성을 가지고 있습니다. 뇌실이나 뇌백질에 도입되면 중간엽 줄기세포는 신경 조직의 실질로 이동하여 신경교세포 또는 신경세포주의 파생 세포로 분화합니다. 또한, 중간엽 줄기세포가 체외 및 체내에서 조혈 줄기세포로 전환분화되는 것에 대한 정보도 있습니다. 일부 연구에서는 보다 심층적인 분석을 통해 중간엽 줄기세포의 매우 높은 가소성을 확인했으며, 이는 성상세포, 희소돌기아교세포, 뉴런, 심근세포, 평활근 세포 및 골격근 세포로 분화하는 능력에서 나타납니다. 시험관 내 및 생체 내 MSC의 전분화 잠재력에 대한 여러 연구에서 골수 유래의 다능성 중간엽 전구 세포가 최종적으로 뼈, 연골, 근육, 신경 및 지방 조직을 형성하는 세포주와 조혈을 지원하는 힘줄 및 기질로 분화된다는 사실이 밝혀졌습니다.

그러나 다른 연구에서는 중간엽 줄기세포 유전체와 기질 세포의 전구체 집단의 다능성 제한 징후를 발견하지 못했지만, 한 번의 일차 배양에서 분리한 200개 이상의 MSC 클론을 연구하여 기질 세포의 다능성 가능성을 시험했습니다. 시험관 내에서 대다수의 클론은 골형성, 연골형성 및 지방형성 방향으로 분화하는 능력을 유지했습니다. 신장 피막 아래 또는 확산 챔버에서 중간엽 줄기세포를 이식하여 수용자 세포가 이동할 가능성을 배제했을 때, 제자리 기질 전구 세포는 이질적인 표현형을 유지하는 것으로 나타났는데, 이는 이식 영역에 제한 인자가 없거나 MSC 다능성 자체가 없음을 나타냅니다. 동시에 모든 성체 줄기세포의 공통 전구체인 드문 유형의 체세포 다능성 줄기세포의 존재가 허용됩니다.

진정한 중간엽 줄기세포는 골수 세포의 매우 작은 부분을 차지하며, 체외 배양 중 특정 조건 하에서 분화 없이 증식할 수 있는 다능성(다능성은 아님)을 가지고 있습니다. 이는 뼈, 연골, 지방, 근육 조직 세포뿐만 아니라 조혈 작용을 뒷받침하는 건세포와 기질 요소에 대한 유도된 결합을 통해 입증됩니다. 일반적으로 태아 송아지 혈청이 포함된 배양 배지에 장기간 노출되면 중간엽 줄기세포가 결합된 기질 전구 세포로 방출되고, 그 자손은 자발적인 최종 분화를 겪습니다. 체외에서는 덱사메타손, β-글리세로인산, 아스코르브산을 배양 배지에 첨가하여 골모세포의 표적 형성을 달성할 수 있으며, 덱사메타손과 인슐린 분화 신호의 조합은 지방세포 형성을 유도합니다.

골수 MSC는 최종 분화 단계에 들어가기 전에 특정 배양 조건에서 섬유아세포 유사 중간엽 줄기세포로 분화한다는 것이 확인되었습니다. 생체 내 이러한 세포의 파생물은 뼈, 연골, 힘줄, 지방 및 근육 조직뿐만 아니라 조혈을 지원하는 기질 형성에 참여합니다. 많은 저자는 "다능성 중간엽 전구 세포"라는 용어를 MSC 자체와 골수 및 중간엽 조직의 헌신적 기질 전구 세포 모두를 의미하는 것으로 이해합니다. 골수 유래의 다능성 중간엽 전구 세포의 클론 분석 결과, 모든 클론의 3분의 1이 조금 넘는 수가 골세포, 연골세포 및 지방세포로 분화하는 반면 나머지 클론의 세포는 골 형성 잠재력만 가지고 연골세포와 골세포만 형성합니다. 적절한 미세환경 조건 하에서 BMC-9와 같은 다능성 중간엽 전구세포 클론은 골모세포, 연골세포, 지방세포뿐만 아니라 조혈을 담당하는 기질 세포의 표현형과 기능적 특성을 가진 세포로 분화합니다. 쥐 태아 골수에서 분리한 RCJ3.1 세포 클론은 다양한 표현형의 중간엽 세포로 분화합니다. 아스코르브산, β-글리세로인산, 덱사메타손의 복합 작용으로 이 클론의 세포 구성 요소는 먼저 다핵 근세포를 형성하고, 이어서 지방세포, 연골세포, 그리고 광물화된 골 조직의 췌도를 순차적으로 형성합니다. 쥐 태아의 골막에서 추출한 과립세포 집단은 증식률이 낮고 분화 마커를 발현하지 않으며 배양 조건에서 연골세포, 골세포, 지방세포 및 평활근 세포를 형성하도록 분화하는 특징이 있으므로 확정되지 않은 다능성 중배엽 전구 세포에 해당합니다.

따라서 중간엽 줄기세포의 유전체의 다능성 또는 다분화능에 대한 의문은 여전히 해결되지 않은 상태이며, 이는 또한 아직 확실하게 밝혀지지 않은 기질 전구 세포의 분화 가능성에 대한 생각에도 영향을 미칩니다.

중간엽 줄기세포의 실험적으로 입증되고 중요한 특징은 조직 니치(niche)를 벗어나 일반 혈류를 순환할 수 있다는 것입니다. 유전적 분화 프로그램을 활성화하기 위해서는 이러한 순환 줄기세포가 적절한 미세환경으로 진입해야 합니다. 중간엽 줄기세포를 수용 동물의 혈류에 체계적으로 주입하면 미성숙 세포가 다양한 장기와 조직에 이식되어 혈액 세포, 근세포, 지방세포, 연골세포, 섬유아세포로 분화하는 것으로 나타났습니다. 결과적으로, 국소 조직 영역에서는 미분화 기질 전구세포와 분화 기질 전구세포 사이, 그리고 이 세포들과 주변의 성숙 세포 사이에 신호 조절 상호작용이 발생합니다. 분화는 중간엽 및 비중간엽 유래의 측분비 조절 인자(성장 인자, 에이코사노이드, 세포외 기질 분자)에 의해 유도되며, 이러한 인자는 다능성 중간엽 전구세포의 미세환경에서 공간적 및 시간적 연결을 제공하는 것으로 추정됩니다. 따라서 중간엽 조직의 국소적 손상은 다능성 중간엽 전구세포의 미세환경 영역 형성으로 이어질 것이며, 이는 정상 조직의 복잡한 조절 신호와는 질적으로 다르며, 이러한 영역에서는 회복적 재생 과정이 아닌 생리적 재생 과정이 발생합니다. 이러한 차이는 정상 및 손상 유발 미세환경에서 세포 표현형의 특수화 측면에서 매우 중요합니다.

개념에 따르면, 생리적 재생과 염증성 증식이라는 두 가지 알려진 과정의 근본적인 차이에 대한 메커니즘이 바로 여기에 있습니다. 생리적 재생은 조직의 특수 세포 구성과 기능의 회복으로 끝나는 반면, 증식 과정의 결과는 성숙한 결합 조직 요소의 형성과 손상된 조직 영역의 기능 상실입니다. 따라서 재생-가소성 의학에서 다능성 중간엽 전구세포를 사용하기 위한 최적의 프로그램을 개발하기 위해서는 미세환경 요인이 중간엽 줄기세포 분화에 미치는 영향의 특성에 대한 철저한 연구가 필요합니다.

줄기세포 구획 구조가 세포 주변분비 및 자가분비 조절인자에 의존하며, 그 발현은 외부 신호에 의해 조절된다는 것은 의심의 여지가 없습니다. 조절인자의 기능 중 가장 중요한 것은 중간엽줄기세포(MSC)의 비대칭 분열 조절과 세포 분열 단계 및 횟수를 결정하는 유전자의 발현입니다. 중간엽줄기세포의 추가 발달에 의존하는 외부 신호는 미세환경에서 제공됩니다. 미성숙 상태에서 중간엽줄기세포는 지방세포, 근섬유모세포, 조혈 조직 기질, 연골 및 골 세포로 분화되는 능력을 유지하면서 장기간 증식합니다. 혈액을 순환하는 CD34 음성 기질 세포 요소의 제한된 집단이 일반 혈류에서 골수 기질로 돌아와 CD34 양성 조혈모세포로 전환된다는 것이 밝혀졌습니다. 이러한 관찰 결과는 혈류 내 전구 중간엽 세포의 재순환이 골수의 미성숙 기질 요소들의 공통적인 풀을 이동시킴으로써 여러 장기의 기질 줄기세포 조직 균형을 유지함을 시사합니다. 중간엽 줄기세포가 다양한 중간엽 표현형을 가진 세포로 분화하고, 생체 내 뼈, 연골, 지방 조직 및 힘줄의 재생 또는 복구에 관여한다는 사실은 실험 동물의 입양 전이 모델을 통해 입증되었습니다. 다른 저자들은 연골 복구, 근육 재생 및 기타 회복 과정에서 혈관층을 따라 중간엽 줄기세포의 원거리 이동이 조직 내 다능성 중간엽 전구세포의 단거리 또는 국소 이동과 결합된다고 주장합니다.

간질 조직 기저부의 국소 줄기세포 저장량은 생리적 조직 재생 과정에서 세포의 공급원 역할을 하며, 간질 조직 줄기세포 자원이 소모됨에 따라 중간엽 줄기세포의 원거리 이동을 통해 보충됩니다. 그러나 다발성 외상과 같이 회복 세포 잠재력의 긴급 동원이 필요한 상황에서는 중간엽 줄기세포 전체가 회복 재생 과정에 참여하고, 골수의 중간엽 전구세포는 전신 혈류를 통해 주변부로 이동하게 됩니다.

중간엽줄기세포 이식

생리적 조직 재생 과정과 자궁 내 발생 과정의 형성 사이에는 특정한 유사점이 있습니다. 인간과 포유류의 배아 발생에서 다양한 유형의 특수 세포 형성은 외배엽, 중배엽, 그리고 내배엽의 배엽층에서 발생하지만, 중간엽의 필수적인 참여가 필요합니다. 배아 중간엽 조직의 느슨한 세포 네트워크는 수많은 조절, 대사, 골격 및 형태발생 기능을 수행합니다. 임시 기관의 형성은 전구 세포의 클론형성 성장으로 인해 중간엽이 응축된 후에야 발생하며, 이는 기관 형성의 주요 형태발생 신호를 생성합니다. 배아 중간엽의 기질 유래물은 임시 기관의 세포 골격을 형성하고, 주요 혈관 및 림프관의 성장을 통해 미래의 에너지 가소성 공급의 기반을 형성합니다. 다시 말해, 태아 기관의 미세순환 단위의 기질 요소는 구조적 및 기능적 단위가 형성되기 전에 발생합니다. 또한, 기관 형성 과정에서 중간엽 세포의 활발한 이동은 호메오틱 Hox 유형의 제한을 통해 부피 경계를 표시함으로써 발달 중인 기관의 공간적 방향을 제공합니다. 기질 구조는 또한 실질 기관의 구조적 및 기능적 단위 조립의 기반 역할을 하는데, 실질 기관은 종종 형태발생학적으로나 기능적으로 완전히 다른 세포를 포함합니다. 결과적으로, 배아 발생 과정에서 중간엽의 기능은 일차적이며, 전구 상피 세포의 국소적 증식 및 분화를 활성화하는 조절 신호의 생성을 통해 실현됩니다. 배아 중간엽 세포는 HGF-β, HGF-β, CSF와 같은 성장 인자를 생성하며, 실질 전구 세포는 이에 상응하는 수용체를 가지고 있습니다. 성체의 분화된 성숙 조직에서 기질 세포 네트워크는 또한 비중간엽 기원의 전구 세포의 생존력과 증식을 유지하기 위한 신호를 생성합니다. 그러나 출생 후 개체발생에서 기질 조절 신호의 스펙트럼은 서로 다르며(SCF, HGF, IL-6, IL-1, IL-8, IL-11, IL-12, IL-14, IL-15, GM-CSF, flt-3, LIF 등) 손상된 조직 영역의 생리적 재생이나 복구를 보장하는 것을 목표로 합니다. 더욱이, 각 조직 유형과 심지어 한 장기 내에서도 기질 조절 인자의 스펙트럼 특성은 다릅니다. 특히, 조혈 및 면역능을 가진 세포의 증식과 분화를 수반하는 조혈 및 림프구 생성은 기질 미세환경이 작동하는 경계 내에서 특정 장기에서만 발생하며, 이는 조혈 및 림프 세포의 성숙을 위한 조건을 제공합니다. 조혈 및 림프 세포가 주어진 장기를 재생하고 미세 구조적 니치에서 증식하고 성숙하는 능력은 미세환경의 조절 인자에 따라 달라집니다.

다능성 중간엽 전구세포가 생성하는 세포외 기질 성분 중 피브로넥틴, 라미닌, 콜라겐, 프로테오글리칸, 그리고 CD44(히알루론산 및 오스테오폰틴 수용체)는 골수와 골 조직에서 세포 간 상호작용을 조절하고 세포외 기질을 형성하는 데 중요한 역할을 합니다. 골수 다능성 중간엽 전구세포는 중간엽 줄기세포뿐만 아니라 조혈 전구세포 및 골수의 다른 비중간엽 줄기세포에도 유도 및 조절 신호를 제공하는 기질 미세환경을 조성하는 것으로 알려져 있습니다. 중간엽 줄기세포의 조혈 참여는 조혈을 지원하는 기질 세포로 분화하는 능력에 의해 결정되며, 이러한 지시 신호는 조혈 줄기세포로부터 직접 전달되는 것으로 알려져 있습니다. 이것이 배양 과정에서 기질 전구 세포 네트워크가 모든 조혈 세포 클론의 발달을 위한 공급 기반 역할을 하는 이유입니다.

성숙한 생물체에서 조혈 및 림프구 생성의 강도는 주변부의 성숙한 혈액 세포와 면역 체계 세포의 "소모"와 동적 평형 상태에 있습니다. 골수와 림프 기관의 기질 세포는 재생이 극히 드물기 때문에 기질 구조의 유의미한 재구조화는 일어나지 않습니다. 조혈 또는 림프구 생성 기관 중 어느 기관이든 기계적 손상을 입으면 이 체계는 동적 평형에서 벗어날 수 있으며, 이는 조혈 또는 림프 요소뿐만 아니라 손상된 기관의 기질 구조에도 영향을 미치는 균일하고 순차적인 변화를 초래합니다. 회복 재생 과정에서 기질 기저가 먼저 형성되고, 이후 조혈 또는 면역 적격 세포가 기질 기저를 다시 채웁니다. 이러한 오랫동안 알려진 사실 때문에 외상 후 재생은 조혈 기관의 기질 미세환경을 연구하는 데 편리한 모델이 됩니다. 특히, 세뇨관골의 골수강을 기계적으로 비우는 것은 골수의 회복 재생을 연구하는 데 사용되며, 이는 조혈 조직을 동적 평형 상태에서 빠르고 효과적으로 제거할 수 있게 해줍니다. 기니피그 경골의 골수강을 기계적으로 비운 후 골수의 조혈 및 기질 성분의 회복 재생 과정을 연구한 결과, 조혈 세포와 기질 세포 재생 지표(조혈 세포 수, 기질 전구 세포의 농도 및 수) 사이에 직접적인 상관관계가 없음이 밝혀졌습니다. 또한, 소파술 후 기질 전구 세포 수가 더 일찍 증가하고, 기질 섬유아세포 자체가 골형성 조직의 전형적인 특징인 인산가수분해효소 양성으로 변하는 것으로 나타났습니다. 또한 3~5개의 관형 뼈를 긁어내면 수술을 하지 않은 뼈의 골수에서 이 세포 집단이 자라고, 기니피그에서 림프구만 생산하는 기관인 비장에서도 자랄 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다.

기니피그의 큐렛된 경골 골수에서 재생 과정에 대한 형태학적 양상은 일반적으로 다른 종의 동물 실험에서 얻은 문헌 자료와 일치하며, 조혈 조직 제거 후 발생하는 변화의 역학은 모든 동물 종에서 동일하며, 그 차이는 시간적 변수에만 국한됩니다. 형태학적으로, 비워진 골수강에서 조혈 회복의 단계 순서는 혈전 조직화, 거친 섬유질 골 조직 형성, 골 흡수, 굴모양 혈관 형성, 그리고 망상 기질 형성의 연속적인 과정으로 구성되며, 이는 이후 조혈 요소에 의해 재생됩니다. 이 경우, 골수 조직 재생 과정에서 조혈 전구 세포의 수는 조혈 줄기 세포의 함량 증가와 함께 증가합니다.

Yu. Gerasimov와 공동 저자(2001)는 재생 과정의 각 단계에서 조혈 세포 수와 기질 전구 세포 수의 변화를 비교했습니다. 긁어낸 뼈에서 골수 세포의 양적 변화는 재생의 형태학적 특성의 역학과 일치한다는 것이 밝혀졌습니다. 저자들은 처음 3일 동안 재생된 뼈의 세포 함량 감소를 골단 부위의 보존된 골수에서 증식하는 망상 조직에 의해 형성된 미세환경의 부정적인 영향으로 인한 조혈 세포의 사멸, 그리고 골단 부위에서 유골 조직 병소의 형성 및 긁어내기 중 혈관 손상과 연관시킵니다. 7~12일째에 유핵 세포 수준의 증가는 기질 요소 증식대에 골수 조혈의 개별 병소가 나타나는 것과 일치합니다. 20일째에는 재생된 골수와 잘 발달된 부비동이 뚜렷하게 나타나며, 이와 함께 총 세포 수가 유의미하게 증가합니다. 그러나 이 기간 동안 조혈 인자의 수는 대조군의 68% 수준입니다. 이는 소파술 후 조혈 세포 수가 수술 후 35~40일째에야 정상 수준에 도달한다는 기존 연구 결과와 일치합니다.

외상 후 초기 단계에서 조혈 기능 회복의 주요 원천은 소파술 동안 보존된 국소 세포 요소입니다. 후기 단계에서 골수 조혈 조직 재생의 주요 원천은 자유 기질 영역을 재생성하는 줄기 세포입니다. 기질 세포의 개별 범주(내피 세포, 망상 세포, 골형성 세포)와 관련하여, 골수강 재형성 과정에서 이러한 세포 형성을 보장하는 원천은 아직 명확하지 않습니다. Yu. V. Gerasimov와 공동 저자(2001)의 연구 결과에 따르면, 소파술 후 보존된 골수에서 섬유아세포 군집을 형성하는 세포의 농도가 정상 골수보다 유의미하게 높습니다. 저자들은 소파술이 군집 형성 기질 세포에 비해 조혈 세포를 더 집중적으로 선택적으로 세척하는 결과를 초래한다고 생각합니다. 군집 형성 기질 세포는 기질 형성에 참여하고 조혈 세포보다 기질의 주요 물질과 더 강하게 결합합니다.

섬유아세포 군집을 형성하는 세포 수 변화의 역학은 골형성 과정의 강도, 그에 따른 골 소주(bone trabeculae)의 재흡수, 그리고 조혈 세포로 구성된 망상 실질(reticular stroma)의 형성과 상관관계를 보입니다. 재생 과정에서 대부분의 기질 전구 세포는 거친 섬유질 골 조직과 망상 실질을 형성합니다. 장기간 골유합술을 시행한 대퇴골 골절의 경우, 재생 5일째에 섬유아세포 군집을 형성하는 세포의 농도와 수가 증가하며, 골 형성이 활발한 기간에는 그 수가 6배 증가합니다. 섬유아세포 군집을 형성하는 골수 세포는 골형성 특성을 가지는 것으로 알려져 있습니다. 조혈 세포가 골수 영역을 파쇄하기 전에 기질 전구 세포의 수가 증가합니다. 이는 기질 세포가 조혈 미세환경을 형성한다는 데이터와 잘 일치합니다. 조혈 미세환경의 생성은 일정 수준의 간질 조직 재생에 대응하며, 조혈 세포의 수는 조혈에 적합한 간질 플랫폼이 확장됨에 따라 증가합니다.

가장 흥미로운 점은 소파술 직후 골격의 먼 부위에서 기질 전구 세포의 수가 증가한다는 저자들의 데이터입니다. 6시간부터 20일까지, 반대쪽 경골에서 섬유아세포 군집을 형성하는 세포의 농도와 수가 두 배 이상 증가하는 것이 관찰되었습니다. 이러한 현상의 기전은 아마도 심각한 골수 손상으로 인해 많은 혈전이 형성되고, 동시에 상당수의 혈소판이 파괴되고 혈소판 유래 성장 인자(PDGF)가 혈액으로 방출되는 사실과 관련이 있을 것으로 생각됩니다. PDGF는 증식성 세포 풀(proliferative pool) 외부의 신체에 위치한 섬유아세포 군집을 형성하는 세포의 증식을 유발하는 것으로 알려져 있습니다. 토끼 실험에서 중간엽 줄기세포(MSC)의 국소 투여는 수술로 손상된 무릎 관절의 연골 조직 회복을 촉진하며, 이는 주입된 중간엽 줄기세포에서 유래하는 연골세포의 형성과 연관될 수 있습니다. 그러나 세라믹 틀에 봉입된 중간엽 줄기세포를 사용한 실험용 쥐의 골 결손 부위 재생은 유의미하게 향상되었습니다. 따라서 RBOC가 아니라 손상된 기질 세포에서 유래하는 다른 요인이 온전한 골수 영역에서 중간엽 전구세포의 증식에 원격 자극 효과를 발휘하여 골수 결손 부위로의 이동을 촉진하는 것으로 추정할 수 있습니다. 이는 조혈 세포와 달리 미세환경을 담당하는 기질 세포가 이동 능력이 없고 국소적인 기원을 가지고 있다는 이전 연구 결과와 상반됩니다.

그럼에도 불구하고 Yu. Gerasimov와 공동 저자(2001)의 연구 결과는 기계적 외상이 긁어낸 뼈의 기질 조직의 급격한 재구성뿐만 아니라 멀리 있는 온전한 뼈의 기질에 상당한 변화를 초래한다는 것을 보여줍니다.즉, 국소 외상에 대한 기질 조직의 전신 반응이 있습니다.게다가 다발성 긁어내기와 같은 다발성 외상이 가해지면 이 반응이 강화되고 수술한 뼈와 골격의 먼 부분뿐만 아니라 림프 기관, 특히 비장에서도 관찰됩니다.골수와 비장의 기질 조직이 국소 외상과 다발성 외상에 대해 이러한 전신 반응을 보이는 메커니즘은 아직 알려지지 않았습니다.이 과정은 골수 수질강의 중간엽 기질에서 분비되는 체액성 인자의 작용과 관련이 있다고 추정됩니다. 골수와 비장의 기질 세포가 섬유아세포 군집을 형성하는 세포의 증식을 담당하는 기관 비특이적 체액성 인자를 생성할 가능성이 있다는 것은 골수의 단층 배양에서 세포 군집 자극 활동에 대한 데이터를 통해 입증되었습니다.

이와 관련하여, 다능성 중간엽 전구세포를 전신 투여하면 그 유래 세포가 골수뿐만 아니라 다른 조직에도 재생성되는데, 이는 특히 유전자 치료에 사용된다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 야생형 유전체를 가진 중간엽 줄기세포를 콜라겐 I 유전자 돌연변이가 있는 마우스에 대량으로 정맥 투여했을 때, 공여 세포가 수혜자의 뼈 및 연골 조직에서 최대 30%의 세포를 대체하는 것으로 나타났으며, 인간 IL-3를 분비하는 형질전환 마우스 중간엽 줄기세포는 면역결핍 마우스에 인간 조혈줄기세포와 동시에 투여했을 때 9개월 동안 조혈 작용을 효과적으로 유지하는 것으로 나타났습니다.

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중간엽줄기세포의 유전자 변형

MSC의 실험적 유전자 변형 성공 사례 중 주목할 만한 것은 인간 MSC에 인자 IX 유전자를 형질주입한 후, 형질주입된 세포를 면역결핍 마우스에 이식한 결과, 이식 후 8주 동안 혈액에서 항혈우병 인자 B가 검출된 것입니다. 이 실험에서는 형질주입된 세포에서 γ-글루타밀 카르복실화효소를 이용한 인자 IX의 번역 후 변형을 수행했습니다. 인간 인자 IX를 암호화하는 레트로바이러스 벡터를 MSC에 형질주입하는 것은 성공률이 낮았습니다. 혈우병 B를 앓고 있는 개에게 이 세포를 투여한 결과, 치료 수준의 인자 IX가 생성되었지만, 정상적인 응고 지혈 강도는 12일 동안만 유지되었습니다.

중간엽 줄기세포를 동물의 뇌 실질에 이식한 결과, 공여체의 미성숙 세포가 신경세포와 신경교세포 집단으로 전환되는 것이 확인되었습니다. 건강한 공여체 중간엽 조직의 신경세포 유래물을 이식하면 이론적으로 고셰병 및 기타 지질, 강글리오사이드 또는 탄수화물 대사 장애 환자의 뇌 대사 유전적 이상을 교정할 수 있습니다.

골수 기질 줄기세포를 신경 및 간 조직 전구세포로 전환분화시키는 조건에 대한 실험적 연구가 진행 중입니다. 연구진은 분화 유도제와 특수 조건 배지의 조합에 주목하고 있습니다. 특히 기질 세포의 일차 배양액을 분리하기 위해, 세척 후 10% 태아 송아지 혈청이 포함된 DMEM/F12 (1/1) 배양 배지에 재현탁한 골수 세포를 200,000/cm²의 밀도로 분주합니다. 24시간 후, 부착되지 않은 세포를 제거하고, 플라스틱에 부착된 섬유아세포 유사 세포를 1주일 동안 배양합니다. 골수 기질세포를 신경모세포로 분화시키기 위해, 마우스 배아 섬유아세포의 일차 배양액을 3일간 배양하여 얻은 조건배지와, 2% 태아 송아지 혈청을 첨가하고 20 ng/ml의 NF 또는 10-6 M 레티노산(마우스 및 인간 배아줄기세포의 신경 분화에 사용되는 신경유도제)을 첨가한 DMEM/F12 배지(1/1)를 사용합니다. 골수 기질세포를 간세포 전구세포로 분화시키기 위해, 마우스 배아 간세포의 일차 배양액을 10% 태아 송아지 혈청을 첨가한 DMEM/F12 배지(1/1)에서 3일간 배양하여 만든 조건배지를 사용합니다.

여기서 다시 한번, 골수 기질의 군집 형성 세포는 이형이며 두 가지 유형으로 나눌 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 첫 번째 유형은 큰 핵과 하나 또는 두 개의 핵소체를 갖는 필로포디아(filopodia)를 형성하는 섬유아세포 유사 세포를 포함합니다. 두 번째 유형은 작은 방추형 세포로 나타납니다. 두 유형의 세포를 마우스의 일차 배아 섬유아세포의 영양층에서 얻은 조건 배지에서 배양하면 3~4일째에 신경아세포와 유사한 세포가 배양액에 나타납니다. 이 단계에서 신경아세포는 대부분 필로포디아로 끝나는 하나 또는 두 개의 긴 돌기를 가진 방추형 형태를 보입니다. 짧은 수상돌기를 가진 피라미드형 또는 별형 세포는 덜 흔합니다. 일부 신경아세포의 수상돌기는 말단부에 특징적인 확장(성장싹)과 가지를 가지고 있는 반면, 다른 신경아세포는 수상돌기가 성장하는 필로포디아가 있는 뚜렷한 성장 원뿔을 가지고 있습니다. 신경모세포가 신경세포로 분화하는 데 내재된 유사한 형태적 특징(싹과 필로포디아를 가진 성장원뿔)은 신경발생 연구에서 자세히 기술되었습니다. 이를 바탕으로 일부 저자들은 배양액에서 발견된 세포가 신경모세포라고 결론지었습니다. 특히, E. Shchegelskaya와 공동 저자(2002)는 기질 세포의 일차 배양액을 3~4일마다 교환하는 조건 배지에서 2주 동안 배양한 후, 일부 세포가 미분화 상태를 유지하면서 증식하는 것을 발견했습니다. 외형적으로 이러한 세포는 섬유모세포와 유사했으며, 분화 중인 신경모세포와 함께 배양액에서 검출되었습니다. 대부분의 세포(약 80%)는 신경 조직 세포, 주로 신경세포로 분화되는 여러 단계에 있었습니다. 이 세포들의 수상돌기는 서로 밀접하게 접촉하여, 세포들이 기질 위에 긴 다세포 가닥 형태로 점차 신경망의 일부를 형성했습니다. 신경모세포의 수상돌기가 상당히 길어졌으며, 일부는 신경체 자체의 길이보다 8~10배 더 길었습니다. 피라미드형 세포와 별모양 세포의 비율이 점차 증가했습니다. 별모양 세포의 수상돌기는 분지되었습니다. 저자들은 방추형 세포에 비해 피라미드형 세포와 별모양 세포의 분화가 늦은 것은 동물의 정상적인 신경 발생 단계 순서와 일치한다고 주장합니다. 결과적으로, 저자들은 골수 기질 줄기세포가 유도 신경 발생을 거치며, 이 과정에서 세 가지 주요 유형의 신경세포가 모두 시험관 내 신경모세포로부터 형성된다고 결론지었습니다. 2% 태아 혈청과 20 ng/ml LIF가 포함된 배지에서 골수 기질 세포를 3~4일 동안 배양하는 동안 신경 세포 전구체가 검출되었습니다. 그러나 이 경우 줄기세포 분열이 매우 느리게 진행되었고, 신경모세포 분화는 30%의 사례에서만 발생했으며 신경망을 형성하지 않았습니다. 신경 세포 분화 유도제 중 하나로 레티노산을 사용하여 저자들은 배양액에서 최대 25-30%의 신경 세포를 얻었습니다.신경교세포 요소 - 성상세포와 희소돌기아교세포 - 가 우세합니다. 뉴런은 전체 신경 세포의 3분의 1에 불과하지만, 방추형, 피라미드형, 별형 세포 세 가지 유형으로 나타났습니다. 레티노산이 포함된 배지에서 기질 세포를 배양한 지 6일째, 신경 세포는 더욱 분화되었고, 각 피라미드형 뉴런에서 축삭이 발견되었습니다. 이는 정상적인 신경세포 발생 과정에서 수상돌기 형성보다 늦게 나타납니다. 저자들은 신경 세포 수율이 낮음에도 불구하고 레티노산 유도 방법에는 장점이 있다고 밝혔습니다. 희소돌기아교세포와 성상세포는 수상돌기와 축삭의 성장 과정에서 수초 형성 및 영양 공급 기능을 수행하며, 신경 조직의 정상적인 형성에 필수적입니다. 따라서 생체 내에서 손상된 부위를 복구하기 위해서는 신경교세포가 풍부한 뉴런 현탁액을 사용하는 것이 더 좋습니다.

두 번째 실험 시리즈에서 저자들은 골수 기질 세포의 간 세포로의 분화를 유도하고자 시도했습니다. 마우스 배아 간세포를 배양하여 얻은 조건배지에서 골수 기질 줄기세포를 3일간 배양한 후, 크고 구형의 세포들이 발견되었는데, 이 세포들은 종종 이핵성 세포였으며, 다양한 크기의 세포질 내포물을 가지고 있었습니다. 이 세포들은 분화 단계가 달랐으며, 크기, 핵의 수, 그리고 세포질 내 포괄체의 종류가 달랐습니다. 이 세포들 대부분에서 글리코겐이 검출되었는데, 저자들은 이를 근거로 이 세포들을 간세포 전구세포로 동정했습니다. 배양액에서 신경모세포와 유사한 세포가 발견되지 않았으므로, 배아 간세포 배양을 통해 얻은 조건배지에는 신경 세포의 분화 인자가 부족하고, 반대로 골수 기질 세포의 간세포 전구세포로의 분화를 유도하는 인자가 포함되어 있다고 결론지었습니다. 결론적으로, 저자들은 골수 기질 세포에 다능성이 존재한다고 제안합니다. 왜냐하면 이 세포들은 특정 조건 배지와 사용된 유도 물질에 따라 시험관 내에서 신경이나 간 조직 세포로 분화되기 때문입니다.

일부 연구에서는 골수 기질 세포가 심근세포, 연골세포, 뼈세포, 신경 조직 세포로 분화되는 것이 실제로 정확하게 나타났습니다. 골수 세포 중에는 간세포로 분화할 수 있는 줄기세포 집단이 존재한다는 증거가 있습니다. 이러한 데이터에 비추어 볼 때, 위 마우스 실험 결과는 성체의 다양한 조직 세포로 분화할 수 있는 만능 중간엽 줄기세포가 골수에 존재한다는 것을 더욱 확증하는 것으로 볼 수 있습니다.

중간엽줄기세포 이식

임상 이식학에서 인간 중간엽 줄기세포는 조혈 줄기세포와 그 초기 예비 후손의 증식을 보장하는 데 사용될 수 있습니다. 특히, 고용량 화학요법 후 암 환자에게 자가 조혈 줄기세포와 중간엽 줄기세포를 투여하면 말초혈액 내 호중구와 혈소판 수의 회복이 촉진됩니다. 중간엽 줄기세포의 동종 및 자가 이식은 조혈 조직 기질의 원발성 결함과 관련된 질환인 다발성 골수종, 재생불량성 빈혈, 그리고 자발성 혈소판감소증을 치료하는 데 사용됩니다. 종양혈액병리학에서 세포 치료의 효율은 기질줄기세포와 조혈줄기세포를 동시에 도입할 경우 더 높은 경우가 많으며, 이는 수술 후 조혈 기능 회복 기간 단축, 국소 및 순환계 암세포의 비선택적 파괴로 인한 사망 사례 감소, 그리고 환자 자신의 조혈 전구세포까지 사멸하는 것으로 나타납니다. 임상에서 중간엽줄기세포 및 기타 다능성 중간엽 전구세포를 사용할 수 있는 가능성은 골수 흡인물, 배양 증식, 그리고 치료 유전자의 형질감염을 통해 얻을 수 있는 비교적 용이성 때문입니다. 동시에, 다능성 중간엽 전구세포의 국소 이식은 국소 조직 결함을 보완하는 데 사용될 수 있으며, 중간엽 유래 조직의 전신 기능 장애가 있는 경우 전신 혈류로의 도입도 배제되지 않습니다.

국소, 전신 이식 및 유전자 치료에 중간엽 줄기세포를 사용할 가능성을 간질 세포 생물학의 관점에서 분석한 연구 저자들은 추론에 있어 더욱 신중합니다. 출생 후 골수는 전통적으로 명확하게 정의된 두 가지 주요 세포주 시스템, 즉 조혈 조직 자체와 이와 관련된 지지 기질로 구성된 기관으로 여겨집니다. 따라서 골수 중간엽 줄기세포는 처음에는 조혈 미세환경의 조절 인자 생성을 위한 기질 기반 공급원으로만 간주되었습니다. 이후 연구자들은 골격 조직의 줄기 공급원으로서 중간엽 줄기세포의 역할 연구로 관심을 돌렸습니다. 최신 데이터는 골수 기질 세포가 신경 또는 근육 조직을 형성하는 분화에 대한 예상치 못한 잠재력을 시사합니다. 다시 말해, 중간엽 줄기세포는 원래 조직의 세포와 표현형적으로 무관한 세포 유형으로 분화할 수 있는 능력인 전이세포 가소성을 나타냅니다. 동시에, 골수 기질 세포의 생물학적 측면 중 일부는 일반적인 생물학적 측면과 개별적인 세부 사항 모두에서 여전히 불분명하고 미해결 상태입니다. 여기에는 골수 기질 세포의 생체 내 식별, 특성, 기원, 발생 및 기능, 그리고 생체 외 분화 가능성 및 생체 내 치료적 활용 가능성 등이 포함됩니다. 중간엽 줄기세포의 잠재력에 대한 데이터와 다른 줄기세포의 재생 잠재력에 대한 연구 결과는 생물학에서 확립된 정설과 크게 모순됩니다.

저밀도 배양 시 골수 기질 줄기세포는 각각 하나의 전구세포에서 유래한 별개의 콜로니를 형성합니다. 유핵 골수 세포에서 기질 전구세포의 비율은 콜로니 형성 능력에 따라 결정되며, 배양 조건과 중간엽 줄기세포 종에 크게 의존합니다. 예를 들어, 설치류의 경우, 최대 수의 기질 전구세포를 얻기 위해서는 배양액에 방사선 조사된 골수 영양세포와 혈청이 반드시 필요합니다. 반면, 인간의 경우 중간엽 줄기세포의 콜로니 형성 효율은 영양세포와 배양 배지 모두에 독립적입니다. 기질 전구세포의 증식을 자극하는 것으로 알려진 유사분열 촉진 인자의 수는 제한적입니다. 여기에는 PDGF, EGF, FGF, TGF-β, IGF1이 포함됩니다. 최적의 배양 조건에서 다클론성 중간엽 줄기세포주는 시험관 내에서 50회 이상의 세포 분열을 견딜 수 있어 1ml의 흡인액에서 수십억 개의 골수 기질세포를 얻을 수 있습니다.

그러나 골수 기질 세포 집단은 이질적이며, 이는 군집 크기의 다양성, 형성 속도의 차이, 그리고 섬유아세포와 유사한 방추형 세포부터 크고 납작한 세포까지 다양한 세포 형태를 보이는 것으로 나타납니다. 이러한 배양 과정에서 20일 후에도 표현형의 이질성이 관찰됩니다. 일부 군집은 알칼리성 인산분해효소(ALP)의 높은 발현을 특징으로 하고, 다른 군집은 전혀 발현하지 않으며, 세 번째 유형의 군집은 중심부에서는 인산분해효소 양성, 주변부에서는 음성입니다. 개별 군집은 골 조직 결절을 형성합니다(기질 무기화의 시작은 알리자린 레드 염색 또는 반 코스(Van Koss)에 따르면 칼슘 염색으로 표시). 다른 군집에서는 지방 축적이 발생하며, 이는 오일 레드를 이용한 G 염색으로 확인됩니다. 드물게 중간엽 줄기세포 군집은 알시안 블루 염색으로 연골을 형성합니다.

실험 동물에 이소성 이식 후, 다클론성 MGK 세포주는 골수형성세포 및 지방세포와 관련된 망상 기질을 갖는 이소성 골을 형성하며, 드물게는 연골 조직과도 관련된다. 골수 기질 세포의 단일클론성 세포주를 이식할 경우, 일부 경우 키메리즘이 관찰되는데, 이는 새로 생성된 골이 골 조직 세포로 구성되고, 기증자 유래의 기질과 지방세포를 포함하는 반면, 조혈 세포 및 혈관계 세포는 수혜자 유래로 생성되는 것이다.

이 연구 결과는 클론 계통이 유래된 골수 기질 전구 세포의 줄기 세포 특성을 확인합니다. 또한 배양된 클론형성 세포가 모두 진정한 다능성 줄기 세포는 아니라는 점을 시사합니다. 일부 연구자들은 개별 클론의 실제 분화 잠재력에 대한 가장 신뢰할 수 있는 정보는 이식 후 생체 내에서만 얻을 수 있으며, 체외에서 그 유도체의 표현형을 측정하는 방법으로는 얻을 수 없다고 생각하며, 저희도 이러한 의견에 동의합니다. 배양된 골, 연골 또는 지방 형성의 표현형 마커(mRNA 또는 조직화학 기법으로 측정)의 발현이나 심지어 무기질 기질의 생성조차도 생체 내에서 개별 클론의 다능성 정도를 반영하지 않습니다. 따라서 기질 세포 집단에서 줄기 세포를 확인하는 것은 생물학적 이식 분석의 적절한 조건 하에서 사후적으로만 가능합니다. 특히, 연골 형성은 개방형 이식 시스템에서는 매우 드물게 관찰되는 반면, 연골 형성은 확산 챔버나 기질 세포의 시험관 내 미세질량 배양과 같은 폐쇄형 시스템에서는 드물지 않습니다. 이러한 시스템에서는 국소적인 저산소 분압이 형성되어 연골 조직 형성이 촉진됩니다. 따라서 이식 기법뿐만 아니라 비특이적 시험관 내 배양 조건도 중간엽 줄기세포 분화 범위에 상당한 영향을 미칩니다.

특정 실험 조건에서의 실험적 이식은 골수 기질 세포의 분화 잠재력을 측정하는 황금률이며, 골수 기질 세포 식별의 핵심 요소입니다. 역사적으로 골수 기질 세포 이식 연구는 골수 이식의 전반적인 문제와 연관되어 왔습니다. 조혈 미세환경은 골수 기질 세포주의 이식을 통해 형성되며, 이식 부위에서 조혈 조직의 이소성 발달을 유발한다는 것이 알려져 있습니다. 기증자로부터 미세환경이 유래되고 숙주로부터 조혈 조직이 유래된다는 점에서 이소성 골 이식은 진정한 "역전된" 골수 이식이라고 할 수 있습니다. 골수 기질 세포의 국소 이식은 골 결손의 효과적인 교정을 촉진하며, 이는 자연 회복 재생보다 더욱 두드러집니다. 실험 모델에 대한 여러 전임상 연구는 정형외과에서 골수 기질 세포 이식의 가능성을 설득력 있게 입증했지만, 가장 단순한 경우라 하더라도 이러한 방법을 최적화하기 위해서는 매우 신중한 연구와 분석이 필요합니다. 특히, 골형성 기질 세포를 체외에서 증식시키는 데 필요한 최적 조건은 아직 확립되지 않았으며, 이상적인 운반체의 구조와 구성, 그리고 체적적 뼈 재생에 필요한 세포의 수는 아직 개발되지 않은 상태입니다.

중간엽 유래 조직 재생을 위해 체외에서 증식된 골수 기질 세포를 사용하는 것 외에도, 중간엽 줄기세포의 독특한 가소성은 신경 세포 재생이나 중추신경계로의 유전자 산물 전달에 대한 잠재적인 응용 가능성을 열어줍니다. 원칙적으로, 자가 인간 신경 줄기세포를 얻을 필요가 없으므로 신경계 손상에 대한 세포 치료가 간소화됩니다. 골수 세포를 이용하여 진정한 기질 유래 및 기질 외 유래의 심근세포와 근육 전구세포를 생성하는 잠재적 응용 사례가 보고되었습니다.

일반적인 골격 질환 치료를 위해 골수 기질 세포의 전신 이식에 대한 실험이 진행 중입니다. 골수 기질 세포가 골격 질환의 유전 질환을 유발하는 세포 집단이라는 것은 의심의 여지가 없으며, 이는 이 세포를 이용한 유전 정보의 벡터 전달을 통해 실험 동물에서 병적인 골 조직이 형성되는 것을 통해 잘 입증됩니다. 그러나 기질 세포가 전신 혈류로 유입된 후 골격 뼈에 이식, 생착, 증식 및 분화하는 능력은 아직 입증되지 않았습니다.

이는 부분적으로 표준 골수 이식에서 기질이 조혈 조직과 함께 이식되지 않기 때문에 전신 투여된 기질 세포의 성공적인 생착을 평가하는 엄격한 기준이 아직 개발되지 않았기 때문입니다. 조직 추출물에 마커 유전자가 존재하거나 배양된 공여체 유래 세포를 분리하는 것은 세포의 생착을 나타내는 것이 아니라 단지 생존을 나타낸다는 점을 기억해야 합니다. 골수 기질 세포를 마우스의 팔다리에 동맥 내 주사하더라도, 골수 미세혈관 내에 공여체 유래 세포가 다량으로 발견됨에도 불구하고, 생착은 거의 이루어지지 않을 수 있습니다. 안타깝게도 이러한 세포는 일반적으로 체외 배양에서 공여체 세포의 마커 유전자가 검출되었다는 이유만으로 "생착"되었다고 표현됩니다. 또한, 연구 대상 조직에서 분화되고 기능적으로 활성한 공여체 유래 세포가 장기간 통합되었다는 설득력 있는 증거가 제시되어야 합니다. 골격 내 골수 기질 세포의 생착에 대해 보고된 많은 논문에서 이러한 종류의 명확한 데이터가 없다는 것은 놀라운 일입니다. 그러나 일부 정확한 동물 실험을 통해 기질 전구 세포의 전신 투여 후 제한적이지만 실제 생착이 확인되었다는 점에 유의해야 합니다.

이러한 데이터는 혈관계를 통해 골수 근형성 전구 세포를 근육으로 전달할 가능성에 대한 연구 결과와 일치합니다. 그러나 골격 조직과 근육 조직 모두 발생 및 성장 과정에서 혈액 순환을 수반하지 않는 이동 과정을 이용하는 혈관 외 세포 이동을 기반으로 형성된다는 점을 간과해서는 안 됩니다. 만약 전구 세포를 고상 조직으로 전달하는 독립적인 순환 경로가 존재한다면, 생리적으로 순환하는 중간엽 전구 세포의 존재를 추정할 수 있을까요? 발생 과정과 출생 후 유기체 모두에서 이러한 세포는 어디에서 유래하며, 혈관벽을 어떻게 관통할까요? 이러한 질문들에 대한 해답은 절대적으로 필요하며, 매우 신중한 전임상 분석이 필요합니다. 이러한 질문들에 대한 해답이 발견되더라도 골격 성장 및 결합 조직 재형성과 관련된 문제적인 동역학적 측면은 여전히 해결되지 않은 채 남아 있을 것입니다. 동시에, 돌연변이된 골격 전구 세포 전체를 건강한 기질 요소로 대체하여 골형성 장애를 치료하는 것은 현실적인 임상적 전망으로 보입니다. 이 경우, 병적인 골형성으로 인한 국소적 골절 부위나 변형, 그리고 골 조직의 파괴적인 변화는 체외 배양된 기질 줄기세포를 이용하여 교정할 수 있습니다. 따라서 향후 연구에서는 자가 돌연변이 골형성 전구세포의 체외 형질전환 또는 유전적 교정 문제에 집중하는 것이 바람직합니다.

단기 또는 영구적인 세포 유전공학은 세포 및 분자생물학의 기반이 되었으며, 체외 및 체내 세포 대사에서 개별 단백질의 역할에 관한 수많은 과학적 발견의 원천이 되었습니다. 유전적 병리 및 인간 질병 교정을 위한 분자 기술의 활용은 골수 기질 줄기세포의 특성 덕분에 골격 유전 질환 교정을 위한 독특한 이식 계획을 개발할 수 있기 때문에 실용 의학에 매우 유망합니다. 동시에, 중간엽 전구세포는 미래의 수혜자로부터 쉽게 얻을 수 있고, 유전자 조작이 가능하며, 단기간 내에 대량 증식이 가능합니다. 중간엽 줄기세포를 사용하면 혈관 내 벡터 구축물을 통해 유전 정보 물질을 환자에게 직접 전달하는 것과 관련된 한계와 위험을 피할 수 있습니다. 배아 줄기세포에도 유사한 전략이 적용될 수 있지만, 자가 출생 후 골수 기질세포가 이식 후 발생할 수 있는 면역학적 합병증을 배제할 수 있어 더 바람직한 물질입니다. 단기적인 효과, 예를 들어 골 재생 촉진을 달성하기 위한 가장 최적의 방법은 전기천공법, 화학 융합법, 리포펙션법, 플라스미드, 아데노바이러스 구조체를 이용한 중간엽 줄기세포의 유전자 변형입니다. 특히, 골수 기질 세포(BMP-2)에 바이러스를 형질주입하여 실험적 다발외상(polytrauma)에서 골 재생을 촉진하는 효과가 입증되었습니다. 아데노바이러스 벡터 구조체를 만드는 것이 독성이 없어 더 바람직합니다. 그러나 이 경우 골수 기질 세포의 유전자 변형은 안정성이 매우 낮다는 특징이 있습니다. 또한, 형질전환된 정상적인 골수 기질 세포는 다른 세포 유형보다 10배 더 높은 감염성을 가진 유전 정보 전달 벡터를 사용해야 하며, 이는 형질주입된 세포의 사멸률을 크게 증가시킵니다.

특정 유전자의 생물학적 활성이 낮거나 전혀 없어 발생하는 열성 질환을 치료하려면 중간엽 줄기세포의 장기적 또는 영구적 변형이 필요하며, 이를 위해서는 아데노 연관 바이러스, 레트로바이러스, 렌티바이러스 또는 아데노-레트로바이러스 키메라를 사용해야 합니다. 이러한 바이러스의 수송 영역은 큰 DNA 형질전환체(최대 8kb)를 전달할 수 있습니다. 과학 문헌은 이미 IL-3, CD2, 인자 VIII, 그리고 L-DOPA 합성에 관여하는 효소와 같은 조절 및 표지 분자의 합성을 암호화하는 레트로바이러스 구조물을 형질전환한 골수 기질 세포의 외인성 생물학적 활성에 대해 보고했습니다. 그러나 이러한 연구에서도 저자들은 이 기술을 실제로 적용하기 전에 극복해야 할 여러 한계점을 지적합니다. 첫 번째 문제는 체외에서 중간엽 줄기세포 변형 과정을 최적화하는 것입니다. 체외에서 골수 기질 세포의 장기간(3-4주) 증식은 형질전환을 감소시키는 것으로 알려져 있습니다. 동시에, 중간엽 줄기세포의 높은 수준의 유전자 변형을 달성하기 위해서는 여러 번의 형질전환 사이클을 수행해야 합니다. 두 번째 문제는 치료 유전자 발현 기간과 관련이 있는데, 아직 4개월을 넘지 않습니다. 효과적인 유전자 발현의 자연적인 감소는 프로모터 불활성화와 변형된 세포의 사멸 때문입니다. 중간엽 줄기세포를 이용한 유전 정보 전달의 일반적인 전망을 고려할 때, 예비 연구 결과는 체외 형질전환 방법의 추가적인 최적화, 원하는 방향으로 생물학적 활성을 조절하는 적절한 프로모터의 선택, 그리고 이식 후 변형된 골수 기질 세포의 생체 내 자가 유지 능력 향상의 필요성을 시사합니다. 골수 기질 세포를 원하는 방향으로 변형하기 위해 레트로바이러스 구조물을 사용한다고 해서 반드시 필수적인 생착이 필요한 것은 아니라는 점에 유의해야 합니다. 형질전환된 중간엽 줄기세포는 안정적인 상주성을 바탕으로 결합 조직에 필수적인 물리적 결합 및 기능 없이도 교정 기능을 수행할 수 있습니다. 이 경우, 이들은 생체 내에서 유전적 병리의 발현을 결정하는 요소를 생성하는 생물학적 미니 펌프로 간주되어야 하며, 이 요소의 결핍은 유전적 병리의 발현을 결정합니다.

병리학적 또는 비정상적인 생물학적 활성을 가진 유전자의 발현을 특징으로 하는 우성 유전병리를 치료하기 위해 형질전환된 골수 기질 세포를 사용하는 것은 훨씬 더 문제가 됩니다. 이 경우 왜곡된 유전 정보의 전달이나 실행을 차단해야 하기 때문입니다. 유전공학 방법 중 하나는 형질전환 동물을 만들기 위해 배아줄기세포를 상동 재조합하는 것입니다. 그러나 상동 재조합의 수준이 매우 낮고 이러한 재조합체의 식별, 분리 및 증식의 문제가 있기 때문에, 새로운 기술이 개발된다 하더라도 가까운 미래에 이 방법이 널리 사용되기는 어려울 것입니다. 우성 유전병리에 대한 유전자 치료의 두 번째 접근법은 손상된 DNA의 자동 교정에 기반합니다. 원하는 서열을 가진 외인성 DNA(짧은 DNA 올리고뉴클레오타이드 또는 키메라 RNA/DNA 올리고뉴클레오타이드)를 도입하여 손상된 유전체의 상동체에 결합함으로써 유전적 돌연변이를 교정할 수 있기 때문입니다. 세 번째 옵션은 병리학적 정보의 전달을 차단하는 것인데, 이는 특정 유전자에 결합하여 전사 가능성을 제거하는 3중 나선 구조를 형성하는 특별히 설계된 올리고뉴클레오티드를 사용하여 달성됩니다.

유전체 수준에서 유전 질환을 교정하는 것이 여전히 가장 최적이고 선호되는 치료법이지만, mRNA는 우성 음성 유전자를 차단하는 데 유망한 벡터(아마도 훨씬 더 접근하기 쉬울 것임)이기도 합니다. 안티센스 올리고뉴클레오타이드 또는 mRNA가 세포 생합성 장치에 결합하는 것을 차단하는 완전한 서열을 가진 단백질 분자는 오랫동안 번역을 억제하고/하거나 mRNA 분해를 증가시키는 데 사용되어 왔습니다. 또한, 이중 가닥 RNA는 빠른 mRNA 분해를 유도하는데, 그 기전은 아직 명확하지 않습니다. 그러나 짧거나 단일 돌연변이를 가진 돌연변이 대립유전자에서 전사된 mRNA를 단순히 제거하는 것만으로는 정상 대립유전자의 mRNA 발현을 촉진할 수 없을 것으로 보입니다. 대안으로 해머헤드 리보합성과 헤어핀 리보합성을 사용할 수 있는데, 이는 mRNA의 매우 특이적인 영역에 결합하여 번역 과정에서 절단 및 불활성화를 유도할 수 있습니다. 현재 병적인 골형성 치료에 이 방법을 사용할 수 있는 가능성이 연구되고 있습니다. 표적이 정확히 무엇인지(게놈 요소인지 세포질 요소인지)에 관계없이, 새로운 유전자 치료 기술의 성공 여부는 체외에서 골수 기질 세포에 시약을 첨가하는 효율성, 특정 벡터의 최적 선택, 그리고 중간엽 줄기 세포가 체내에서 필요한 요소를 안정적으로 발현하는 능력에 따라 결정됩니다.

이처럼 예상치 못한 특성을 지닌 중간엽 줄기세포의 발견은 세포주 개발에 대한 새로운 개념 체계를 제시합니다. 그러나 기질 줄기세포의 생물학적 역할, 그 특성, 전환분화 또는 역분화 능력, 배아 발생, 출생 후 성장, 성숙 및 노화 과정, 그리고 인간 질병에서의 생리적 중요성을 이해하기 위해서는 추가적인 학제적 연구가 필요합니다.