[순환기내과] 성체줄기 세포 이용한 심근경색증 치료의 연구

 

 

 

 강현재

서울대학교병원 순환기내과

 

 

 

 

 

 

 

 

 

급성 심근경색은 최근 수십년 간에 걸친 치료법의 발전과 개선에 따라 급성기 이후 생존자가 증가되고 예후가 개선되어가고 있으나, 여전히 많은 환자들이 허혈성 심질환, 심근경색증으로 인한 심부전으로 인해 고통을 받고 이로 인한 사망자가 급격히 증가하고 있다.

 

심근경색증으로 인한 심부전은 혈류의 감소와 이로 인한 심근세포의 소실이라는 근원적인 병태생리를 가지고 있다. 그러나 20세기말까지도 심근세포는 손상되면 재생될 수 없는 세포로 알려져 왔다. 따라서 심근경색증과 같이 심근세포의 소실로 발생하는 심부전은 근원적 치유가 불가능하며, angiotensin converting enzyme inhibitor의 도입이나 cardiac resynchronization과 같은 새로운 치료적 시도들에도 불구하고 말기 심부전의 치료를 위한 근치적 치료법은 심장이식뿐이라는 것이 널리 인정되는 사실이었다.

그러나 1990년대 후반 인간의 심근 세포가 인체 내에서 세포 분열에 의해 증식, 재생될 수 있다는 사실이 알려지면서 심근세포의 재생을 통한 심부전의 치료라는 세포치료의 가능성이 제기되었다. 그 이후 다양한 기원의 줄기세포들이 심근세포로 분화 유도될 수 있으며, 동물 실험모델에서 심기능을 호전시킬 수 있다는 결과들이 보고되었다. 이 같은 결과를 바탕으로 줄기세포(stem cell)/전구세포(progenitor cell)를 인위적으로 주입, 혹은 동원하여 심기능을 호전시키고자 하는 세포치료의 임상연구가 시작되었으며, 현재까지는 소규모 임상연구들만이 진행된 상태이나 긍정적인 결과를 보이고 있어 새로운 심부전의 치료법으로서 가능성을 인정받고 있다.

 

줄기세포 치료에 이용되는 성체줄기세포의 종류에 따른 특성

 

1. 골수기원의 줄기 세포

1) 골수 줄기 세포

임상연구에서 가장 널리 이용되고 있는 세포는 골수에서 직접 채취한 단핵줄기세포이다. 현재까지의 대부분의 임상연구에서는 별도의 조작 없이 이들을 바로 손상 심근에 전달하는 방법으로 줄기세포 치료의 임상연구가 진행되고 있다. 아직까지 골수내의 여러 종류의 세포 중 어느 세포가 심질환에서 줄기세포 치료에 주로 기여하고 있는지에 대한 충분한 이해가 부족한 상태로 임상연구에서는 주로 선별되지 않은 채 이용되며, 이 외에 CD34나 AC133등과 같은 표지자로 골수세포를 분리하여 이용하는 경우도 있으나, 이들도 역시 단일 줄기세포를 이용하는 연구로 평가되기는 어렵다. 전임상연구 및 임상연구에서 이들 골수줄기세포 치료에 의해 심근관류가 호전되고 심기능이 호전됨이 입증되어 있다. 하지만 과연 조혈모세포로 알려진 세포들이 주를 이루는 골수줄기세포들이 직접적으로 심근세포로 분화가 가능한지에 대한 논란이 계속되고 있다. 즉 골수기원의 줄기세포 치료의 효과가 어떤 기전에 의한 것인지에 대한 규명이 필요한 상태이다. 그러나 골수내에는 다분화능을 설명할 수 있는 골수내 중간엽줄기세포나 MAPC 등이 존재하고 있어 이들의 역할이 주목을 받고 있다.

 

2) Stem cell mobilizer

골수 줄기세포를 이용하는 방법은 골수에서 직접 줄기세포를 채취하는 과정의 침습성으로 인해 시술의 시행에 제한을 받고 있다. 이를 극복하기 위해 G-CSF(granulocyte-colony stimulating factor)등의 stem cell mobilizer를 이용하여 비침습적인 방법으로 골수 줄기세포를 손상부위로 직접 동원하거나 줄기세포를 말초혈액에서 비교적 손쉽게 모집할 수 있는 방안이 임상연구에서 이용되는 주요한 세포치료법의 하나로 사용되고 있다. 이 외에도 이 같은 가능성을 주목받고 있는 후보로는 GM-CSF, HGF, SDF-1, erythropoietin등이 있다.

G-CSF의 경우는 단순히 줄기세포를 골수로부터 동원 유도하는 이외에 급성심근경색증 발생 후 심근의 pathologic remodeling의 진행을 억제하거나, 저산소 손상에서 심근세포와 혈관내피세포를 직접적으로 보호하고 생존을 증가시키는 작용을 가지고 있음이 알려져 있다. 그러나 이 같은 작용은 동물실험에서만 효과가 입증이 되어 있고, 임상에서 이용되는 농도에 비해 수십배 이상 높은 고농도에서 확인된 작용이므로 이를 임상에서 기대할 수 있을 지에 대해서는 입증이 필요한 상태이다.

 

3) 혈관내피전구세포(endothelial progenitor cell: EPC)

혈관 신생능력을 가지는 CD34+혹은 AC133+, VEGF receptor 2+의 표현형을 가지는 세포로 알려져 왔으며, 최근에는 주로 직접 혈관신생에 관여하는 early EPC와 혈관신생을 유도하는 cytokine을 주로 분비하는 late EPC등 다양한 역할을 하는 다양한 기원의 세포들이 혼재되어 있는 세포군으로 알려져 있다. 혈관내피전구세포의 경우 단일세포군보다는 early EPC와 late EPC를 동시에 이용한 경우에 혈관신생능이 증가하는 것으로 알려져 있다. 이들 내에는 혈관내피세포뿐 아니라 심근세포로의 분화능을 가진 세포군이 포함되어 있다고 알려지고 있다.

허혈성 심질환 환자군에서는 혈액내의 혈관내피전구세포의 수와 혈관신생능력이 떨어지는 것으로 알려지고 있으며, 이 같은 현상이 허혈성심질환 환자에서의 혈관내피전구세포를 통한 줄기세포 치료의 효과와 관련되어 있을 것으로 추정하고 있다. Statin 투여가 이 같은 기능저하와 수 감소를 호전시키는 것으로 알려지고 있다.

 

4) 제대혈 기원의 줄기세포

대부분의 성체줄기세포와는 달리 자가(autologous) 줄기세포가 아닌 동종(allogenic) 줄기세포를 이용하게 되는 경우이다. 자가줄기세포의 가장 큰 장점인 면역거부반응을 회피할 수 있다는 문제에서 자유롭지 못하다는 점이 가장 큰 약점이다.

제대혈 줄기에서 기원한 줄기세포 특히 이로부터 기원한 중간엽 줄기세포의 경우 면역반응을 유발할 수 있는 면역항원의 발현이 낮아서 면역거부반응이 잘 유발되지 않으며, 면역거부반응을 억제하는 효과를 가지고 있다는 결과들이 보고되고 있어 이를 바탕으로 초기 임상연구가 시도되고 있는 상태이다.

 

2. 골격근 모세포(skeletal myoblast /satellite cell: SMB)

골격근을 형성하는 능력을 가진 줄기세포/전구세포로서 허혈에 강하고, 원래 근육세포를 형성하는 분화능력을 가지고 있다는 점, 체외에서 배양을 통한 증식이 용이하다는 점 등의 장점을 가지고 있다. 그러나 심근세포와 기계적, 전기생리적으로 결합되지 못하며, 이로 인해 부정맥을 유발할 수 있다는 단점을 가지고 있다. 실제 이를 이용한 초기연구에서는 다수의 환자가 임상연구 초기에 심실성 부정맥을 경험하고 이로 인해 사망한 예가 보고되면서 골격근 모세포의 효용성에 대한 회의론이 제기되기도 하였다. 그러나 최근에는 부정맥이 시술 초기 1달 이내에 집중되며 대조군에 비해 유의한 사망 증가나 위험도 증가는 없다는 연구결과들이 축적되면서 삽입형 제세동기(ICD) 시술을 시행한 후 줄기세포치료를 시행하는 임상연구가 진행되고 있다.

지금까지 임상연구에서 주로 이용되어 온 골수줄기세포가 심근세포로의 분화효율이 매우 낮아서 심근 소실이 매우 진행된 고도의 심부전 환자에서는 효과가 충분치 않을 것이라는 우려 속에서 이에 대한 대안 혹은 보완수단으로 골격근 모세포를 이용한 줄기세포치료에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.

 

3. 심장줄기세포(Cardiac stem cell)

심장 내에 심근, 혈관 세포 등으로 분화 가능한 줄기세포가 존재한다는 결과가 알려지면서, 심장에서 기원한 줄기세포로 심장질환을 치료할 수 있다는 기대가 생기면서 심질환에서 줄기세포 치료에 이용될 수 있는 후보세포로 새로이 주목을 받고 있다. Anversa 등은 심근 조직 생검을 통해 얻은 소량에서 심근에서 심장줄기세포를 분리, 증식 후 심근내 주입함으로써 심기능 호전을 유도할 수 있다고 보고하였으며, IGF-1, HGF를 이용하여 심근경색모델에서 심장줄기세포를 동원하고 분화를 유도하여 심근과 혈관재생을 유도할 수 있다고 보고하였다.

 

심장줄기세포는 Sca-1, c-kit, MDR-1, Isl-1등의 표지자를 발현하는 것으로 알려져 있으나 표현형에 따른 세포간의 특성이나 분화능력의 차이에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 특히 심장줄기세포는 줄기세포치료의 paracrine effect나 유전자, cytokine/growth factor 치료 등에 의한 심기능 호전에 있어 중요한 역할을 할 것으로 생각되고 있다. 대부분의 심장 줄기세포는 성인에서 임상연구에 이용될 수 있을 정도로 충분한 양을 확보하기 어렵거나 존재가 보고되지 않은 상태이다. 이에 비해 최근 주목을 받고 있는 cardiosphere는 성인의 심장에서 직접 소량의 심근 조직을 채취하고 체외배양 조건에서 3~4주간 배양함으로써 줄기세포 치료에서 이용될 수 있는 양을 확보할 수 있다. 또한 단일 세포군은 아니나 cardiosphere에는 심장을 구성하는 심근세포, 혈관내피전구세포, 혈관평활근 세포로 각각 분화가 가능한 세포들이 모두 포함되어 있는 것으로 알려져서 더욱 기대를 모으고 있다.

 

줄기세포치료의 작용기전

 

현재 임상연구에서 이용되고 있는 줄기세포가 실제 심근세포로 분화될 수 있느냐, 있다면 과연 임상적 효과를 기대할 수 있을 정도이냐는 논란에도 불구하고 실제 다수의 임상연구에서는 줄기세포치료를 통한 심근 관류의 개선, 심기능의 호전 등 줄기세포 치료의 효과가 보고되고 있다. 그렇다면 과연 줄기세포심기능의 호전, 심근관류의 개선, 임상경과의 호전과 같은 줄기세포치료의 효과가 어떤 기전을 통해 설명될 수 있는가 하는 의문이 제기되고 있고, 이는 줄기세포치료의 효과를 평가, 이해하고 개선, 발전시켜나가는데 매우 중요하다.

현재까지 줄기세포의 직접적인 분화와 paracrie effect를 통한 간접 효과가 주된 작용 기전으로 이해되고 있다. 투여한 줄기세포는 심근세포, 혈관세포로의 직접적인 분화를 통해 심근 및 혈관신생에 기여함으로써 작용할 수 있다.

 

특히 혈관신생의 경우는 비교적 그 효과가 널리 인정되고 있다. Paracrine effect는 현재의 줄기세포치료에서는 직접적인 분화 못지않게 중요성이 주목받고 있는 작용기전이다. 줄기세포에서 분비되는 VEGF, IGF, HGF 등의 cytokine/growth factor이 심장내의 혹은 순환혈액내의 줄기세포를 동원, 유인하고, 분화를 유도함으로써 심근 및 혈관신생에 기여할 수 있는 것으로 이해되고 있다. 또한 기존의 심근세포의 생존능을 강화하여 심근 소실을 억제하고, 세포분열을 통한 증식을 촉진하는데도 기여하는 것으로 알려지고 있다. 이외에도 전달된 줄기세포 자체가 심장내에서 생존함에 따라 직접, 간접적으로 병적인 심장의 재형성(심장의 확장) 과정의 주요 작용 기전인 extra-cellular matrix의 turn over를 안정화시킴으로써 심장의 확장을 막아 심기능의 악화를 방지하는데 기여할 수 있음이 알려져 있다. 그러나, 줄기세포의 종류와 치료 대상의 기저 질환 등에 따라 주된 작용기전이 다를 것으로 이해되고 있다.

 

줄기세포치료의 전달방법

 

줄기세포 전달의 목표는 충분한 수의 줄기세포를 목표 심근에 최대한 공급하여 치료효과를 기대할 수 있을 정도로 장기간 세포가 목표 지점에 머무르고, 생존하게 만드는 것이다. 심근경색증의 치료를 위해 이용되는 줄기세포 전달방법은 크게 다음과 같다.

 

1. 심근내 주입

가장 효율적인 전달방법이나 침습적이고, 그 자체가 심장에 손상을 유발한다는 단점이 있다. 최근에는 수술적 방법에서 catheter를 이용하는 방법으로 발전되어가고 있다.

 

2. 관동맥내 주입

가장 널리 이용되는 전달방법으로 관동맥 성형술을 시행하는 의료진에게는 비교적 손쉽게 적용될 수 있고, 심근경색증의 경우 손상 심근과 동일한 분포로 세포를 전달할 수 있으며, 다른 혈관내 전달법에 비해 높은 전달

효율을 기대할 수 있다는 장점이 있다. 가장 임상연구에서 널리 이용되는 방법이다.

 

3. 정맥내 주입법 및 동원 유도법

 가장 손쉽고 비침습적으로 시행될 수 있으나, 전달 효율이 심근의 회귀유도자극의 강도에 따라 영향을 받으며, 매우 효율이 낮은 단점이 있다. 본 연구진은 따르면 정맥내 주입법으로는 심근내에 유효한 줄기세포의 전달이 현실적으로 불가능하다는 것을 FDG를 이용한 PET-CT 연구를 통해 확인한 바 있다.

 

4. 최근에 개발되고 있는 방법

관동맥동을 통해 거꾸로 가압을 하여 심근 내로 세포를 전달하는 방법이 연구되고 있으나 초기연구가 진행되는 정도의 상태이다.

 

 줄기세포 임상연구(Table 1, 2)

 

줄기세포 임상연구의 결과는 크게 골수줄기세포를 직접 이용한 경우와 G-CSF를 기반으로 하여 말초혈액 내로 동원된 줄기세포를 이용하는 경우로 나누어 분류할 수 있다.

골수줄기세포를 이용한 급성심근경색증환자에 대한 줄기세포치료의 경우 대부분의 대규모 무작위 대조군 비교연구는 골수단핵세포 전체를 관동맥 내로 급성심근경색증 환자에게 전달하는 형태로 진행되었다. 일부 연구에서 상반된 결과를 보이고 있으나, 현재까지의 연구결과들을 종합적으로 분석적 메타분석의 결과에 따르면 줄기세포치료는 대조군에 비해 약 4%정도의 심기능(좌심실 구혈율) 개선 효과를 보이는 것으로 알려지고 있다. 본 연자를 포함한 서울대학교병원 순환기내과 연구진이 진행한 MAGIC Cell-3-DES연구에서는 급성 심근경색증환자에서 대조군에 비해 세포치료군이 약 5.3%의 심기능 개선 효과를 보였다. 이 같은 심기능 개선 효과의 정도에 대하여 임상적 효용성에 있겠느냐는 평가절하하는 시각과, 기존의 치료를 모두 시행한 대조군에 비교하여 얻어진 결과이므로 그 가능성을 인정해야 한다는 주장이 대립하고 있는 상태이다. 현재까지의 증거로는 지금의 줄기세포치료가 임상적인 경과를 호전시킬 수 있다는 뚜렷한 증거는 없는 상태이다. 그러나 2006년 발표된 REPAIR-AMI연구에서는 세포치료군이 대조군에 비해 사망과 심근경색증의 발생이 유의하게 감소되는 결과를 보이고 있어 세포치료의 심기능 호전이 임상경과의 호전으로 이어질 수 있다는 가능성을 보여주고 있다.

 

이 같이 줄기세포를 직접 관동맥 내로 전달하는 연구와 달리 급성심근경색증 환자에서 G-CSF를 이용하여 단순히 골수줄기세포를 말초혈액 내로 동원하여 손상심근으로 회귀를 유도함으로써 심기능 개선을 기대하는 동원유도 치료법에서는 대부분의 연구가 대조군에 비해 심기능 개선에 효과가 없는 것으로 알려지고 있다. G-CSF 동원 유도법과 관동맥내 주입법을 이용한 임상연구 결과의 차이는, 이전에 본연구진의 결과에서 언급한 바와 같이 손상심근으로 효율적으로 줄기세포를 전달하기 위해서는 손상심근에 의한 단순한 회귀자극만으로는 부족하고, 직접적으로 심근에 세포를 고농도로 전달하는 추가적인 조작이 필요하기 때문인 것으로 판단된다.

 

전술한 급성심근경색증 환자에서의 줄기세포치료 연구와 달리 진구성 심근경색증에 대해서는 제대로 된 대조군 비교연구가 적어서 줄기세포치료법의 효과에 대하여 결론을 내리기는 어려운 형편이다. 그러나, 본 연구진이 수행한 MAGIC Cell-3-DES연구의 진구성 심근경색증 환자의 결과를 살펴보면, 급성심근경색증 환자에서는 줄기세포치료가 대조군에 비해 유의한 심기능호전을 유도하였으나, 진구성 심근경색증 환자에서는 양군간에 심기능 변화에 차이가 없었다. 심기능 호전에는 차이가 없었으나, 세포치료군에서 대조군(표준치료군)에 비해 혈류의 개선과, 심근경색의 크기 감소가 관찰되어 줄기세포 치료의 효율성을 개선할 필요성이 제기되었다. 

 

줄기세포치료의 제한점과 개선방향

 

1. 줄기세포치료의 제한점

줄기세포 치료에서 우려되는 부작용으로는 석회화, 종양생성 등의 조절되지 않는 분화, G-CSF를 이용하는 경우나 급성심근경색증의 초기에 줄기세포를 주입할 때 우려가 제기되는 염증반응의 악화에 의한 심근손상의 진행이나, 허혈의 악화가능성이 있다. 또한, 관동맥 성형술 후 관동맥 재협착의 악화나 동맥경화의 진행 가능성 등이 있다. 또한 골격근 모세포를 설명하면서 언급한 부정맥의 유발 가능성 또한 제한점의 하나로 알려지고 있다. 그러나 이 같은 부작용은 치료대상 환자의 선택이나, 적절한 치료시점의 선택, 약물방출스텐트의 사용이나 삽입형 제세동기의 사용 등을 통해 적절히 조절이 가능한 상태이다.

 

2. 줄기세포치료의 개선방향

현재의 줄기세포 치료법은 비교적 안전하고, 실제적인 환자의 치료에 적용이 가능함으로 기존의 임상연구를 통해 확인할 수 있었다. 그러나 줄기세포 치료의 효과라는 측면에서는 아직도 많은 개선의 여지가 남아있다. 우선적으로 제한적인 줄기세포의 체류효과의 개선 및 장기 생존이 개선될 필요성이 제기된다.

본 연구진의 연구에 따르면 관동맥 내 전달법을 이용하여 줄기세포를 심근 내로 전달한 경우에도 5%이내의 세포만이 심근 내로 잔류하며, 이 중 대부분의 세포가 심근 내에서 장기 생존 및 체류하지 못하는 것으로 알려지고 있어 치료효율 향상을 위해 개선되어야 할 주요 제한점으로 인식되고 있다. 또한 현재의 자가 줄기세포 치료법은 병든 환자의 줄기세포를 이용함으로써 줄기세포자체의 능력의 제한점으로 인해 치료효과가 더욱 떨어질 수 있는 제한점을 가지고 있다.

 

이 같은 문제를 극복하기 위해 환자의 질병 조건, 개개인의 특성에 따라 개별화된 치료법을 개발할 필요가 제기되고 있다. 현실적으로 가장 주목을 받는 선택으로는 줄기세포치료의 제한적인 효과를 향상시키기 위해서는 줄기세포의 장기 생존과 분화, 체류능을 강화시키기 위한 줄기세포의 선별, 증식, 전처치 등의 개발이 필수적이라고 할 수 있다.

또한 치료에 이용되는 줄기세포의 노화와 같은 줄기세포 자체의 제한점과 심질환의 병태생리를 개선할 수 있는 cytokine/growth factor 혹은 유전자 전달요법을 병합함으로써 줄기세포 치료법의 효율을 제고함으로써 최종적으로는 보다 폭 넓은 환자에게 보다 큰 도움을 줄 수 있는 보편적인 줄기세포 치료법을 개발할 수 있을 것으로 생각된다.