| 신생아 난치성 질환에 대한 줄기세포 치료 |
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| 성균관대학교 삼성서울병원 소아청소년과 장윤실 |
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줄기세포(stem cell)는 스스로 분열 증식할 뿐만 아니라 여러 배엽의 세포 및 조직으로 분화할 수 있는 만능성을 갖고 있어 최근 난치성 질환 및 장기 손상의 새로운 치료법으로 대두되며 관심이 집중되고 있다. 줄기세포는 배아(embryonic), 성인(adult), 유도 만능 (induced pluripotent) 줄기세포로 분류되는데 이 중에서도 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cell, MSC)는 성인 줄기세포의 한 종류로 채취가 쉽고 윤리적 문제가 없으면서, 면역 억제 기능 등이 알려지면서 실험실 연구와 임상의 여러 분야 질환에서 치료법으로 |
활발한 연구가 진행되고 있다.
1. 미숙아 기관지 폐 이형성증 (BPD)에 대한 제대혈 유래 중간엽 줄기세포 치료 임상 1상1) 및 2년 장기 추적2) 연구
BPD 동물 모델인 고농도 산소 폐손상의 신생 동물에서의 치료 효과 입증에 이어 단기 및 종양발생을 비롯한 장기적으로 독성이 없음과 안전함이 전임상 연구에서 입증됨에 따라, BPD 위험이 높은 초극소 미숙아를 대상으로 한 줄기세포 임상 시험이 세계에서 최초로 한국에서 시행되었다. 이는 BPD에 대한 동종 인체 제대혈 유래 중간엽 줄기세포(allogenic human umbilical cord blood-derived MSC)를 기도 내(intratracheal)로 일회 투여 하는 치료의 안전성과 실행 가능성을 평가하기 위한 임상 1상 시험으로써 오픈 라벨, 단일 센터 용량 증량 시험으로 시행되었다. 이 임상연구에서는 NICHD 계산법으로 볼 때 중등도 이상 BPD 및 사망의 위험이 평균 75%가 넘는 평균 재태연령 25주(24~26주), 출생체중 793g (630~1030g)을 보인 9명의 초극소 미숙아들에서, 평균 생후 10일(7~14일)째에 줄기세포가 투여되었다. 첫 세 명의 환자들에게는 저용량(1×107 cells/kg in 2 mL/kg of saline) 투여 후 부작용이 없음을 확인 한 후 이후 6명에게는 고용량(2×107 cells/kg in 4 mL/kg of saline)이 투여되었다. 투여 방법은 surfactant 투여 시와 동일한 방법으로 기도내관을 통해 좌우 폐, 양쪽으로 투여되었다. 이들 모두 생존하였으며 투여 후 최대 84 일까지 심각한 부작용이나 용량 제한 독성이 관찰되지 않았고 저용량군과 고용량군 사이에서 심각한 부작용에 있어 유의한 차이 또한 관찰되지 않았다. 투여 후 7 일째 기관 흡입액에서 측정한 염증성 사이토카인(cytokines) 수치가 투여 전에 얻어진 수치와 비교하였을 때 유의하게 감소되었고, 재태연령, 출생 체중, 호흡기 중증도로 맞대응한 과거 대조군과 비교 시 BPD의 중증도가 줄기세포 투여군에서 유의하게 낮은 결과를 보였다. 본 연구는 임상 1상 시험으로써, 치료 효과를 결론지을 수 없었으나 적어도 BPD 고위험군인 인공환기기 의존 초극소 미숙아에서 제대혈 유래 중간엽 줄기세포 기도내 투여가 임상적으로 실현가능하고 안전함을 보여 주었다. 이어서 이들을 대상으로 한 교정 2세까지의 장기 추적 임상 결과가 최근 발표되었는데, 줄기세포 기도 내 이식이 이들 미숙아들에서 호흡기, 성장, 신경발달 면에서 장기적으로도 안전함을 보고하였다. 아울러 이 환자들을 대상으로 하는 5년 장기 추적 연구가 진행 중이며, 또한 치료 효과를 검증하기 위한 이중 맹검, 무작위 대조군 설정 다기관 임상 2상 시험이 현재 진행 중에 있다.
2. 미숙아 심한 뇌실내 출혈(IVH) 에서의 중간엽 줄기세포 치료 임상 1상 시험3)
최근 심한 IVH의 신생 백서 모델에서 MSC 투여 효과를 입증하는 전임상 증거에 의거, 3기 이상의 심한 IVH 가 발생한 미숙아에서 동종 인체 제대혈 유래 중간엽 줄기세포(allogenic human umbilical cord blood-derived MSC)를 뇌실내로 투여하는 치료의 안전성 및 실행 가능성에 대한 단일기관, 오픈 라벨, 용량 증가 임상 1상 시험이 세계에서 최초로 한국에서 수행되었다.
이 연구는 3기 이상의 심한 뇌실내 출혈이 있는 미숙아에서 초음파로 뇌실내 출혈 발견, 7일이내에 줄기세포 투여를 시행하고 이의 안전성과 실행 가능성을 평가하기 임상 1상 시험이었다. 본 시험에서 평균 재태연령 26주(24-30주), 출생체중 808g (440-1020g), 모두 4기의 뇌실내 출혈이 진단된 미숙아 9명에서 생후 평균 11.6일 (7-15일)에 줄기세포가 투여되었다. 첫 3명의 환자에게는 저용량(5×106 cells/kg in 1 mL/kg of saline)을 투여하였고 이후 용량 제한 독성이나 이식관련 심한 부작용이 없음을 확인 한 후 나머지 6 명의 환자에게 고용량(1×107 cells/kg in 2 mL/kg of saline)이 투여되었다. 줄기세포의 투여는 무균적 시술로, 뇌초음파 가이드 하 대천문을 통한 뇌실 천차법으로 국소적으로 투여되었다. 이들 모두 생존하였으며, 줄기세포 투여 관련 심각한 부작용이나 이상 반응이 관찰되지 않았고 5명에서 뇌실내 복강 단락술(VP shunt)이 시행되었다. 대상 환자들에서 뇌척수액의 interleukin (IL)-6 수치가 기저치에 비해 교정 36주-40주경에 의미있게 감소하였으며, IL-6 및 TNF-α 기저 수치가 shunt 군에서 비 shunt 군에 비해 유의하게 높았고 투여 전 뇌실 사이즈와 비례적으로 연관되는 소견을 보였다. 종합적으로, 심한 뇌실내 출혈이 있는 미숙아에서 제대혈 유래 중간엽 줄기세포의 뇌실내 투여는 비교적 시행가능하고 안전함을 알 수 있었다. 현재 이들은 교정 연령 2년 및 생후 5년까지 장기 추적 관찰 중이며, 치료 효과 검증을 위한 무작위 이중 맹검 대조군 설정 임상 2상 연구가 진행 중에 있다.
3. 신생아 저산소성 허혈성 뇌병증(HIE)에 대한 제대혈 세포 이식 임상1상 시험4)
현재까지 HIE 신생아들에서 줄기세포 자체를 투여한 임상 시험은 보고 된 바 없으며, 자가 제대혈 세포를 투여한 1 상 임상 시험이 미국에서 보고되었다. 이 임상시험에서는 저체온 요법 적용기준을 충족하여 저체온 치료를 받은 신생아 HIE 환자 23 명에서 자가 제대혈 세포 이식의 안전성과 실행 가능성을 평가하였다.
오픈 라벨, 단일기관 연구로, 냉동되지 않은 혈청 및 적혈구의 용적을 감소시킨 자가 제대혈 세포(투여 1회당 1 ~ 5 × 107 세포)들을 최대 4 회 투여하였는데 투여 관련 심각한 부작용 및 심폐 기능 손상 또는 수혈과 관련 감염 등이 관찰되지 않았다. 또한 임상 시험에 포함되지 않고 저체온 요법만 받은 다른 HIE 환자들을 과거 대조군으로 비교하였을 때, 제대혈 세포가 투여된 환자들에서 1년 이상 생존율과 베일리 점수 85 이상인 경우의 비율이 높았다. 종합적으로, HIE로 저체온요법이 필요한 신생아환자에서 자가 제대혈 세포의 수집, 준비를 통한 세포의 정맥 내 주입이 안전하고 실현 가능성이 있음을 보여준 결과이다. 현재 HIE 환자의 자가제대혈 세포 치료의 효능을 평가하기 위해 무작위 이중 맹검, 대조군 설정 임상 2상 연구가 진행 중에 있다.
4. 중간엽 줄기세포 치료 기전5)
이와 같은 중간엽 줄기세포 이식 치료의 유효한 기전은 주로 분비성(paracrine) 작용인 것으로 알려지고 있다. 중간엽 줄기세포 치료법 연구 초기에 기대되던 줄기세포가 투여 후 생체 내에서 손상 장기 적합 세포로 직접 분화되어 손상된 세포와 조직을 대체하는 직접 재생 기전은 거의 일어나지 않는 것이 밝혀지고 있다. 그것 보다, 투여된 중간엽 줄기세포가 손상된 장기와 조직에서 적대적 주위 환경에 스스로 반응하여 여러 분비(paracrine) 물질을 냄으로써 조직손상 완화 및 재생 기능을 하는 것이 주요 치료 기전임이 밝혀지고 있다. 이는 투여된 중간엽 줄기세포가 이식된 개체 내에서 생각보다 빠르게 소멸되어 생체 내에 거의 남지 않으면서도 치료적 효과가 유지되는데, 이러한 점은 중간엽 줄기세포 투여 후 염려하는 종양발생의 부작용이 실제 보고되지 않는 이유로도 생각된다. 또한 치료 초기부터 항염증, 항섬유화, 항산화, 항 세포사멸, 항세균 및 투과 안정 증진 등의 효과를 보임이 입증되고 있으며 이는 투여된 중간엽 줄기세포에서 분비된 여러 물질들, 엑소좀과 같은 세포외 소포체 들의 세포 및 조직내 전달, 또한 미토콘드리아의 세포내 전달 등을 통해 이식된 개체를 이롭게 하는 여러 다면적인 생체 조절을 통한 것으로 밝혀지고 있다. 따라서 이러한 중간엽 줄기세포의 주요 치료기전인 분비능을 올리기 위해서는 적절한 투여 용량, 적절한 투여 경로, 적절한 투여 시점의 선택이 중요하며, 또한 효과적인 전처리법과 유전자 조작 등을 통해 중간엽 줄기세포의 분비능 향상을 통한 치료 효과 향상을 모색하려는 연구들이 속속 진행되고 있다.
5. 맺음말.
미숙아를 포함한 신생아 난치성 질환에 대한 새로운 치료법으로서의 줄기세포 치료는 신생아학 내에서 일어나고 있는 잠재적 패러다임 변화로, 여러 전임상 및 임상연구의 진전을 통해 그 임상적 적용이 한걸음 더 가까워지고 있다. 그러나 줄기세포의 안전한 이식이 치료법으로 임상에 완전히 적용되기까지는 무엇보다도 안전성, 제조과정의 스케일업, 표준화 방법 마련, 임상 적응증 및, 적절한 투여 시기, 용량 결정 등과 같은 여러 문제에 대한 해결과 치료 및 보호기전에 대한 좀 더 깊은 이해 등이 필요하다. 따라서 난치성 신생아질환에서 이러한 여러 난관을 극복하고 있어서 줄기세포 치료를 새로운 치료법으로 임상 적용하기 위해서는 향후 더 많은 연구와 노력이 필요할 것이다.
참고문헌
1) Chang YS, Ahn SY, Yoo HS, Sung SI, Choi SJ, Oh WI, Park WS. Mesenchymal stem cells for bronchopulmonary dysplasia: Phase 1 dose-escalation clinical trial. J Pediatr 2014;164:966-972
2) Ahn SY, Chang YS, Kim JH Sung SI, Park WS. Two year follow up outcomes of premature infants enrolled in the phase 1 trial of mesenchymal stem cells transplantation for bronchopulmonary dysplasia. J Pediatr 2017; 185:49-54.
3) Ahn SY, Chang YS, Sung SI, Park WS. Mesenchymal Stem Cells for Severe Intraventricular Hemorrhage in Preterm Infants: Phase I Dose-Escalation Clinical Trial. Stem Cells Transl Med. 2018 e-pub
4) Cotten CM, Murtha AP, Goldberg RN, et al. Feasibility of autologous cord blood cells for infants with hypoxic–ischemic encephalopathy. J Pediatr 2014;164:973–9. e1.
5) Park WS, Ahn SY, Sung SI, Ahn J, Chang YS (Corresponding). Strategies to enhance paracrine potency of transplanted mesenchymal stem cells in intractable neonatal disorders. Pediatr Res 2018 63:214-222
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