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줄기세포

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목차

1. 개요

줄기세포는 자가 복제와 분화 능력을 가진 세포로, 다양한 세포로 분화하여 손상된 조직을 대체하고 난치병 치료에 기여할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 19세기 말 처음 사용된 이 용어는 20세기 초 혈액 줄기세포 연구를 거쳐 1998년 인간 배아줄기세포 분리 및 2006년 유도만능줄기세포 개발로 이어지는 등 연구가 활발히 진행되었다. 줄기세포는 배아줄기세포, 성체줄기세포, 유도만능줄기세포 등으로 구분되며, 각각의 분화 능력과 특징에 차이가 있다. 현재 줄기세포를 이용한 유전자 치료, 조직 재생, 신약 개발 연구가 활발히 진행 중이나, 윤리적 문제, 면역 거부 반응, 종양 형성 가능성 등의 한계가 존재한다.

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줄기세포
정의
설명분화하여 특수한 세포가 될 수 있는 미분화된 생물학적 세포이다.
역사
발견1963년 어니스트 매컬로크와 제임스 틸이 발견했다.
특징
자가 복제 능력분열을 통해 동일한 줄기 세포를 계속 생성할 수 있다.
분화 능력특정 조건 하에서 다양한 종류의 특수 세포로 분화할 수 있다.
분류
발생 단계에 따른 분류전분화능 줄기세포 (Totipotent stem cell)
만능 줄기세포 (Pluripotent stem cell)
다능성 줄기세포 (Multipotent stem cell)
단일능 줄기세포 (Unipotent stem cell)
기원에 따른 분류배아 줄기세포 (Embryonic stem cell, ESC)
성체 줄기세포 (Adult stem cell, ASC)
유도 만능 줄기세포 (Induced pluripotent stem cell, iPSC)
활용
의학세포 치료
재생 의학
질병 모델링
약물 개발
연구발생 연구
세포 분화 연구
윤리적 문제
배아 줄기세포배아 파괴 논란
연구 규제국가별, 기관별 연구 윤리 지침 필요

2. 역사

생쥐의 배아줄기 세포


19세기 말 테오도어 보베리와 발렌틴 헤커가 "줄기세포" 용어를 처음 사용했다.[7] 20세기 초 아르투어 파펜하임, 알렉산더 막시모프, 프란츠 에른스트 크리스티안 노이만이 혈액 줄기세포 이론에 대한 선구적인 연구를 수행했다.[7]

  • 1908년: 알렉산더 막시모프가 베를린 혈액학회에서 줄기세포(stem cell)라는 용어를 제안했다.
  • 1963년: 캐나다 토론토 대학교의 어니스트 매컬럭과 제임스 틸이 최초로 줄기세포의 존재를 증명했다.
  • 1981년: 영국 생물학자 마틴 에반스와 매튜 카우프만이 마우스 배반포를 사용하여 배아 줄기(ES) 세포를 최초로 분리 및 배양했다.
  • 1998년: 미국 위스콘신 대학교의 발생 생물학자 제임스 톰슨(세포 생물학자)이 인간 배아줄기세포를 잉여 수정란에서 세계 최초로 분리하여 배양했다.
  • 2006년: 야마나카 신야의 일본 교토 대학교 연구팀이 섬유아세포를 다능성 줄기세포(iPS 세포)로 전환했다.[10]
  • 2007년: 미국 올리버 스미시스, 마리오 카페치, 영국 마틴 에반스가 배아줄기세포 연구로 노벨 생리학·의학상을 수상했다.[170]
  • 2013년: 미국 오리건 과학 대학교 슈크라트 미탈리포프 박사팀이 인간 배아줄기세포 복제에 성공했다.[171][172][173]

3. 종류

줄기세포는 배아를 이용한 '''배아줄기세포'''(embryonic stem cells), 혈구세포를 끊임없이 만드는 골수세포와 같은 '''성체줄기세포'''(adult stem cells), 인간 체세포를 이용한 '''유도만능줄기세포'''(iPS cells)로 나뉜다.

수정란에서 만들어지는 배아줄기세포는 태반 등 배체외 조직을 제외한 모든 종류의 세포로 분화할 수 있다. 생체 내 각 조직에도 성체줄기세포(조직 줄기세포, 체성 줄기세포)가 있으며, 분화 가능한 세포 종류는 제한적이다. 골수 속 조혈모세포는 혈구의 근원이 되고, 신경줄기세포는 신경 세포 및 교세포로 분화한다. 이 외에도 간 줄기세포, 피부 줄기세포, 생식 세포를 만들어내는 생식 줄기세포 등 다양한 종류가 있으며 재생 의학에서 활발하게 연구되고 있다.

3. 1. 배아줄기세포 (Embryonic Stem Cells, ESCs)

배아줄기세포(Embryonic stem cells)는 정자와 난자의 수정으로 생성된 수정란에서 유래한다. 어머니 뱃속에서 아기로 성장할 때 약 2조 개의 세포가 생기는데, 배아줄기세포는 이러한 다양한 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력을 가진다. '''전분화능 줄기세포'''(Pluripotent Stem Cell)라고도 하며, 대량 증식이 가능하고 거의 모든 신체세포로 분화가 가능하며 면역 거부반응이 없다. 그러나 분화 조절이 어려워 암세포로 될 가능성이 있어 기술의 정밀함을 요구하며, 수정란 파괴로 윤리적 문제가 제기될 수 있다.

배아줄기세포 연구의 주요 연혁은 다음과 같다.

연도국가내용
1908년알렉산터 막시모프가 베를린 혈액학회에서 줄기세포(stem cell)라는 용어를 제안
1952년최초로 수정란 분할로 개구리 복제 성공
1963년토론토 대학교의 어니스트 매컬럭과 제임스 틸이 최초로 줄기세포의 존재 증명
1978년인간복제에 초석이 되는 시험관 아기 최초 탄생, Hematopoietic 줄기 세포는 인간의 제대혈에서 발견
1983년수정란 분할로 쥐 복제
1997년체세포 복제로 복제 양 돌리 탄생 (국내에서 줄기세포가 주목된 시기)
1998년제임스 톰슨이 인간 배아줄기세포를 잉여 수정란에서 세계 최초로 분리하여 배양 (사이언스 게재)
2004년황우석 교수가 인간 난자를 이용한 배아줄기세포 복제를 성공했다고 발표했지만 거짓으로 밝혀짐
2005년킹스턴 대학교 콜린 머거킨 교수가 배아줄기세포와 성체줄기세포의 성질을 모두 가진 특별한 세포군을 제대혈에서 최초로 발견[169]
2007년올리버 스미시스, 마리오 카페치, 마틴 에반스가 배아줄기세포 연구로 노벨 생리학·의학상 수상, 유전자 적중법 이용[170]
2013년슈크라트 미탈리포프 박사팀이 인간 배아줄기세포 복제 세계 최초 성공 (셀 게재)[171][172][173]



인간에게 적용될 수 있는 줄기세포의 다양한 쓰임새.

3. 1. 1. 배아줄기세포의 분화능

배아줄기세포는 분화능에 따라 다음과 같이 분류된다.

분화능설명예시
전능성 (Totipotency)개체를 형성할 수 있는 분화능. 세포 하나하나가 하나의 개체로 분화 가능. 임신 초기에 수정란이 갈라지면서 일란성 쌍둥이가 생기는 것과 같은 원리.[15]수정란, 초기 배아 단계 (상실배) 세포
만능성 (Pluripotency)태아나 성체의 모든 세포로 분화할 수 있는 능력. 초기 수정란이 분열하면서 여러 장기로 분화되기 전 단계의 세포로, 심장, 췌장, 간, 피부, 신경 등 다양한 장기로 분화 가능.[151]배반포기의 내부 세포 덩어리, 배아줄기세포 (ES 세포)
다분화성 (Multipotency)세포 계통에 속한 몇몇 세포종으로 분화하는 능력. 일반적으로 배엽을 초월한 분화는 이루어지지 않지만 예외도 있음. 성체 줄기세포에서 추출.조혈모줄기세포, 간엽줄기세포
이분화성 (Bipotency)두 종류의 세포로 분화 가능한 줄기세포.
단일 분화성 (Unipotency)오직 한 종류의 특정 세포로만 분화 가능한 줄기세포.


3. 2. 성체줄기세포 (Adult Stem Cells)

성체줄기세포(Adult Stem Cell/ Tissue-specific Stem Cell)는 신체 각 조직에 극히 소량만이 존재한다. 특정한 조직을 구성하는 세포로 분화되도록 정해진 세포이다. 예를 들어 골수세포는 혈구세포로, 피부줄기세포는 피부로, 후각신경세포는 후각신경세포로만 분화된다. 다능성 조혈모세포가 대표적인 예시이다. 성체줄기세포는 우리 몸을 건강한 상태로 유지하는데 필요한 최소한의 세포를 제공하며, 손상이 발생하면 다른 장기에 있던 줄기세포가 몰려와서 손상된 조직으로 변하는 분화의 우연성이 있다.

성체줄기세포는 분화가 안정적이어서 암세포 가능성이 없고, 이미 임상적 적용이 가능한 단계까지 왔다. 배아줄기세포와는 다르게 수정란의 파괴가 없어서 윤리적으로도 문제가 되지 않는다. 그러나 얻을 수 있는 줄기세포 수가 적고, 배양이 어려우며 특정 세포로만 분화가 가능한 단점이 있고, 면역 거부 반응 때문에 기증, 공여가 안 된다.[153]

3. 3. 유도만능줄기세포 (Induced Pluripotent Stem Cells, iPSCs)

유도만능줄기세포(Induced Pluripotent Stem Cells, iPSCs)는 신체 세포를 역분화시켜 배아줄기세포와 유사한 성질을 가지도록 만든 세포이다. 흔히 iPS세포라고 불리며, 초기화 또는 역분화라고도 한다.

2007년 일본 교토 대학교의 야마나카 신야 연구팀이 최초로 쥐를 이용한 역분화에 성공하였다.[76] 이는 체세포를 이용하여 배아를 거치지 않고도 배아줄기세포와 유사한 줄기세포를 만들 수 있다는 가능성을 제시한, 21세기 생명공학의 중요한 성과로 평가받는다.

유도만능줄기세포는 다음과 같은 특징과 의의를 갖는다.

  • 윤리적 문제 해결 가능성: 배아를 사용하지 않기 때문에 배아줄기세포 연구에서 제기되는 윤리적 문제에서 비교적 자유롭다.
  • 환자 맞춤형 치료 가능성: 환자 자신의 세포를 이용해 만들기 때문에 면역 거부 반응의 위험을 줄일 수 있다.
  • 다양한 세포로 분화 가능: 배아줄기세포처럼 신체의 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력을 가지고 있다.
  • 질병 모델링 및 신약 개발: 환자의 세포를 이용하여 질병의 발생 기전을 연구하거나 신약의 효능 및 독성을 평가하는 데 활용될 수 있다.


야마나카 신야와 그의 교토 대학교 동료들은 Oct3/4, Sox2, c-Myc, Klf4 전사 인자를 사용하여 생쥐 섬유아세포를 다능성 세포로 재프로그래밍했다.[73][77] 후속 연구에서는 이러한 인자를 사용하여 인간 섬유아세포에서 다능성을 유도했다.[78] 위스콘신-매디슨 대학교의 유 준잉, 제임스 톰슨과 그의 동료들은 Oct4, Sox2, Nanog 및 Lin28과 같은 다른 인자들을 사용하고 인간 포피의 세포를 사용하여 실험을 수행했다.[73][79]

이러한 실험의 성공으로, 최초의 복제 동물인 돌리를 만드는 데 기여한 이언 윌머트는 연구 방향으로서 체세포 핵 이식을 포기할 것이라고 발표했다.[80]

3. 4. 세포 외 기질 치료

세포 외 기질 치료는 돼지 방광에서 추출한 가루를 중심으로 하는 치료 방법이다. 현재는 다양한 재료를 사용하여 실험이 진행되고 있다. 이 치료법은 도마뱀의 재생 능력에서 아이디어를 얻었으며, 잘린 손가락이 신경 등을 포함하여 100% 원래 상태로 회복되는 연구 결과와 화상 환자의 피부가 거의 완벽하게 회복되는 보고 등이 나오면서 줄기세포 치료의 중심지로 주목받고 있다. 그러나 아직 연구 단계이며, 대중화되기까지는 약 13년 정도의 시간이 걸릴 것으로 예상된다. 모든 줄기세포 연구는 여러 방면에서 이루어져야 하며, 세포 외 기질 치료 방법도 그중 하나일 뿐이다.

4. 성체줄기세포 치료의 종류

유전자 치료는 특정 질병과 관련된 유전자를 세포에 넣어 유전적 결함을 치료하거나 새로운 기능을 추가하는 방법이다. 이때 바이러스가 유전자를 세포로 운반하는 역할을 한다.

줄기세포는 스스로 증식하는 능력이 있어 유전자 치료의 번거로운 과정을 줄일 수 있다. 이러한 이유로 줄기세포는 유전자 치료의 좋은 재료로 주목받고 있지만, 아직 많은 연구가 이루어지지는 않았다. 현재까지는 주로 성체줄기세포를 이용한 유전자 치료가 연구되고 있다.

4. 1. 조혈모세포

조혈모세포(hematopoietic stem cell)는 탯줄(umbilical cord)이나 골수(bone marrow)에서 분리 및 정제가 쉽고, 환자에게 투여하기 전에 분화시키기도 용이하다는 장점이 있다.

조혈모세포를 이용한 유전자 치료는 다음과 같은 난치병 치료에 사용되었다.

  • 이염백색질장애(Metachromatic leukodystrophy): Arylsulfatase A 효소 결손으로 경련과 근력 저하 등을 일으키는 질병이다. 2013년 San Raffaele Scientific Institute의 Luigi Naldini 박사 연구팀은 렌티바이러스(Lantivirus)를 이용하여 환자의 골수와 말초혈액(peripheral blood)에서 추출한 조혈모세포에 arylsufatase A 유전자를 도입하여 발병 초기 환자에게 정맥 주사하였다. 그 결과 효소 활성도가 증가하고 근력 저하 증상이 완화되는 등 치료 효과가 나타났다.[163]
  • 부신백질이영양증(X-linked Adrenoleukodystrophy, ALD): 긴 사슬 지방산(very long chain fatty acid)이 분해되지 않고 신경계에 머물러 신경계와 부신에 영향을 미치는 질병이다. 2017년 하버드 의대 David A. Williams 교수 연구팀은 렌티바이러스를 이용하여 ''ABCD1''(ATP-binding cassette (ABC) transporters) 돌연변이 유전자를 정상 유전자로 교체하는 치료법을 보고하였다. 치료 결과, 17명의 환자 중 15명(88%)에서 질병 진행이 중단되었다.[164]


위 두 치료법은 모두 환자 본인의 조혈모세포를 이용했기 때문에 이식편대숙주병(graft-versus-host disease)과 같은 면역 부작용이 없었고, 증상 완화 및 질병 진행 중단 효과를 통해 난치병 치료 가능성을 보여주었다.

환자에게서 유래한 유도만능줄기세포와 3세대 유전자 가위인 CRISPR-CAS9을 이용한 유전자 치료법도 연구되었다. CRISPR-CAS9으로 환자 유래 유도만능줄기세포의 돌연변이 유전자를 정상으로 되돌리고, 체내에서 조혈모세포로 분화하도록 하여 해당 돌연변이 질환을 가진 쥐에게 투여했을 때 정상 유전자 및 단백질 발현, 증상 완화 효과가 나타났다.[165] 하지만 CRISPR-CAS9은 다른 유전자를 편집하는 off-target effect가 있을 수 있어, 인간 적용에는 추가 연구가 필요하다.

4. 2. 신경줄기세포

신경줄기세포(neural stem cell)는 신경아교종(glioma) 치료와 관련이 있다. 신경아교종은 뇌에 생기는 종양으로, 종양세포들이 정상적인 뇌 조직을 파괴하고 뇌 속을 돌아다녀 치료가 까다로운 질병으로 알려져 있다. 2016년 노스캐롤라이나 대학교의 Hingtgen 교수 연구팀은 유도신경줄기세포(iNSC, induced Neural Stem Cells)에 렌티바이러스 벡터를 이용하여 암세포의 죽음 수용체(death receptor)를 활성화시켜 세포 사멸을 유도하는 TRAIL(Tumor Necrosis Factor-Related Apoptosis-Inducing Ligand) 유전자를 도입하여 인간의 신경아교종을 가진 쥐의 뇌에 주사하는 유전자 치료법을 보고하였다. 그 결과 신경아교종을 가진 쥐의 뇌에서 2주 만에 종양의 크기가 현저하게 줄어든다는 사실을 발견하여, 인간에서도 난치병인 신경아교종의 치료 가능성을 보여주었다.[166]

많은 사람들이 정상적인 유전자를 갖는 바이러스 벡터를 넣어주는 방식으로 줄기세포 유전자 치료제를 개발했다면, City of Hope Medical Center의 Karen Aboody 박사 연구팀은 다른 방식인 enzyme and prodrug therapy로 줄기세포를 이용한 유전자 치료에 접근했다. 신경아교종 치료제로 알려진 5-fluorocytosine(5-FC)은 cytosine deaminase(CD) 효소에 의해 5-fluorouracil로 변하며 주변에 있는 분열 중인 암세포들을 죽이게 된다. Karen Aboody 박사 연구팀은 레트로바이러스(retrovirus)를 이용하여 신경줄기세포에 CD를 도입하여 악성(high-grade) 신경아교종을 가진 인간의 뇌에 투여했고, 이 치료 방법은 신경아교종의 완치를 이루어내진 못했지만 환자들의 수명을 유의미하게 증가시켰다.[167]

4. 3. 중간엽 줄기세포

중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cell)는 골수, 지방 조직, 탯줄 등에서 쉽게 얻을 수 있는 줄기세포이다. 손상, 염증, 암 조직에 모이는 특징이 있어 재생의학(regenerative medicine)이나 이식편대숙주병(graft-versus-host disease) 치료에 쓰인다.[168] Keiya Ozawa 박사 팀은 암 조직에 중간엽 줄기세포가 축적되는 성질을 이용하여 종양 괴사 인자 알파 유도 유전자를 도입하는 유전자 치료법을 제안했다.[168]

4. 4. 한계

줄기세포 치료는 여러 한계점을 가지고 있다. 우선, 면역 거부 반응이 일어날 수 있으며, 줄기세포가 예상치 못한 다른 조직으로 분화할 가능성도 있다. 또한, 줄기세포가 암세포로 변이될 위험성도 존재한다.[105][106]

유전자 치료의 경우, 유전자 운반체로 사용되는 바이러스에 의한 독성 및 염증 반응이 나타날 수 있고, 유전자 삽입 과정에서 돌연변이가 발생할 수 있다. 줄기세포 치료와 마찬가지로 면역 거부 반응의 문제도 공유한다.

이러한 생물학적 위험성 외에도, 줄기세포 치료는 높은 비용이 소요된다는 단점이 있다. 치료 후 부작용 발생 여부와 치료 효과의 지속성에 대해서도 추가적인 연구와 관찰이 필요하다.

특히 배아 줄기 세포의 경우, 다능성으로 인해 특정 세포 유형을 얻기 어렵고, 모든 세포가 균일하게 분화하지 않아 원하는 세포 유형을 정확하게 얻기 힘들 수 있다. 미분화 세포는 기형종과 같이 원치 않는 조직을 생성할 수 있다.[105]

일부 줄기세포는 이식 후 종양을 형성하는 경향이 있으며,[106] 특히 배아 줄기 세포, 태아 고유 줄기세포, 유도만능 줄기 세포에서 종양 형성 가능성이 높다. 태아 고유 줄기세포는 다능성임에도 불구하고 종양을 형성하는 것으로 알려져 있다.[107]

배아 줄기 세포를 사용하거나 연구하는 과정에서 윤리적인 문제도 제기된다. 배반포에서 세포를 채취하면 배반포가 파괴되는데, 이를 인간 생명으로 간주해야 하는지에 대한 논쟁이 존재한다.[108]

5. 속성

줄기세포는 일반적으로 다음과 같은 두 가지 속성을 갖는다.[39]


  • 자가 복제 (Self-renewal): 분화되지 않은 상태를 유지하면서 수많은 세포 분열을 할 수 있는 능력이다.
  • 분화능 (Potency): 다른 종류의 특정 세포로 분화할 수 있는 능력이다. 엄밀한 의미에서 줄기세포는 전능성 또는 만능성을 가져야 하며, 이는 모든 성숙한 세포 유형으로 분화할 수 있어야 함을 의미한다.


다분화능 간세포와 단분화능 간세포도 때때로 줄기세포로 언급되기도 한다.

줄기세포의 기능은 자기 재생과 분화능 외에도 피드백 메커니즘으로 조절된다. 세포 주기를 조절하는 주요 인자는 만능성 또한 조절한다.[39] 따라서 관련 유전자를 조작하면 만능성을 유지하고 체세포를 유도만능 상태로 재프로그래밍할 수 있다.[39] 그러나 체세포 재프로그래밍은 효율이 낮은 경우가 많으며 확률적인 것으로 여겨진다.[84]

빠른 세포 주기가 만능성의 핵심 요소라는 점을 이용하여 재프로그래밍 효율을 향상시킬 수 있다. 세포 주기 조절 인자를 조작하여 만능성을 향상시키는 방법에는 사이클린 D/Cdk4 과발현, Sox2의 S39 및 S253 위치에서의 인산화, 사이클린 A 및 사이클린 E 과발현, Rb의 녹다운, Cip/Kip 계열 또는 잉크 계열 구성원의 녹다운 등이 있다.[39] 또한, 재프로그래밍 효율은 확률적 단계에서 발생한 세포 분열 횟수와 상관관계가 있으며, 이는 더 오래되었거나 분열 속도가 느린 세포의 재프로그래밍 효율이 감소하는 것을 시사한다.[85]

6. 메커니즘

줄기세포의 개체 수를 유지하기 위해 두 가지 메커니즘이 사용된다.

1. 필수 비대칭 복제 줄기세포: 하나의 줄기세포는 원래의 줄기세포와 동일한 하나의 모세포와 분화된 또 다른 딸세포로 분열된다.

2. 확률적 분화: 하나의 줄기세포가 두 개의 딸세포로 분열될 때, 다른 줄기세포는 유사분열을 겪고, 원래의 것과 동일한 두 줄기세포를 만들어낸다.[87]

줄기세포가 자기 복제를 하면 분열을 일으키고 미분화 상태를 붕괴시킨다. 이러한 자기 복제는 세포 주기의 조절뿐만 아니라 줄기세포에 달려있는 다분화능 또는 전분화능의 유지를 필요로 한다.[13]

줄기세포는 DNA를 보호하고 세포 분열 한계(헤이플릭 한계)를 연장하기 위해 텔로머라제라는 단백질을 사용하여 텔로미어를 복구한다.[14]

줄기세포의 분열로 생긴 딸세포 중 적어도 일부가 모세포와 같은 줄기세포로 남을 수 있다는 점이 줄기세포의 특징이다. 이때 분열로 생기는 세포 중 한쪽은 다른 종류의 세포로 분화하고, 양쪽 세포 모두 줄기세포이지만 환경에 따라 일부가 분화하는 경우가 있다. 전자의 방식에서는 줄기세포 수가 증가할 수 없으므로 줄기세포의 손상을 회복할 수 없다. 반면, 후자의 방식에서는 줄기세포 수 조절이 가능하다. 또한, 세포 집단 전체의 절반이 줄기세포로 남으면 줄기세포 수를 유지할 수 있으므로, 단일 세포의 분열에 대해서는 양쪽 딸세포가 모두 분화하는 경우도 있다.

7. 식별

실제로는 줄기세포를 조직 재생 능력 여부로 식별한다. 예를 들어 조혈 줄기 세포(HSC)에 대한 정의 테스트는 세포를 이식하여 조혈모세포 없이 개체로 저장하는 것이다. 이것은 세포가 장기간에 걸쳐 새로운 혈액 세포를 생산할 수 있는 것을 보여준다. 또한 다른 개체로 HSC 없이 이식될 수 있는 줄기세포를 이식된 개체로부터 분리하는 것도 가능할 것이다.

줄기세포의 특성은 실험실에서 분화능과 자가복제를 통해 단일 세포를 평가하는 집락형성 분석법(clonogenic assay)과 같은 방법을 이용하여 보여줄 수 있다. 줄기세포는 또한 세포 표면 표식(Surface Marker)의 구별되는 집단을 가지고 있음으로써 분리될 수 있다. 그러나 체외 배양 조건은 세포의 행동을 변화시킴으로써 실제로 세포가 어떻게 행동하는지 불분명하게 만든다. 몇몇 성체 줄기세포 집단이 실제로 줄기세포인지에 대해서는 상당한 논의가 있다.

8. 가치

줄기세포는 발생 과정 연구, 약물 검사, 독성 검사, 그리고 난치성 질병 치료에 중요한 가치를 지닌다.[15] 특히, 줄기세포는 손상된 조직을 대체할 수 있는 세포나 조직을 대량으로 얻을 수 있게 해주어 난치성 질병 치료에 이용될 가능성이 크다.

예를 들어, 퇴행성 뇌 질환인 파킨슨병은 도파민을 생성하는 신경세포가 파괴되면서 발생한다. 기존에는 태아의 뇌 조직을 이식하는 것이 효과적인 치료법으로 알려져 있었지만, 이는 매우 제한적이고 윤리적, 사회적 문제를 야기했다. 하지만 줄기세포로부터 도파민성 신경원세포를 만들어내는 기술이 개발되면, 파킨슨병 환자에게 이식할 수 있는 세포를 다량 확보할 수 있게 된다.

마찬가지로, 인슐린을 분비하는 β세포를 대량으로 얻을 수 있다면, 인슐린 주사에 의존하는 제1형 당뇨병 환자들을 치료할 수 있는 길이 열릴 것이다.

줄기세포 치료는 질병의 증상을 완화시키고, 약물 복용량을 줄일 수 있게 돕는다. 또한, 줄기세포에 대한 이해를 넓혀 미래 치료법 개발에 필요한 지식을 제공한다.[103] 수술적 치료의 위험을 줄이고, 마취 관련 위험도 없앨 수 있다.[104] 환자 자신의 신체에서 줄기세포를 채취하여 사용하기 때문에(자가 치료), 공여 물질 거부 반응의 가능성이 거의 없어 안전하다.

9. 동물 임상실험 단계

동물 실험 단계에서 허혈성 뇌졸중(뇌경색) 치료를 위한 줄기세포 치료 매개물질 발견 등 인간 뇌경색 환자를 위한 치료제 개발이 진행 중에 있다.[174] 무릎 연골 재생의 경우, 토끼를 대상으로 줄기세포 덩어리를 구슬 모양으로 뭉쳐 무릎에 이식하여, 인공조직을 만드는 방법으로 뼈와 연골을 재생하였다.[175]

10. 논쟁

줄기세포 연구는 여러 논쟁을 수반한다. 특히 주머니배를 이용한 줄기세포 추출 과정에서 태아의 생명권을 침해하는 것이 아니냐는 윤리적 논쟁이 존재한다.

10. 1. 태아 사용에 관한 논쟁

줄기세포 연구를 진행하기 위해서는 주머니배(blastocysts)를 이용하여 줄기세포를 추출해야 한다. 하지만 주머니배가 태아로 발현될 수 있다는 이유로, 실험을 위해 인간의 생명을 빼앗는 것이 아니냐는 논쟁이 있다. 종교나 신념에 따른 논쟁 또한 무시할 수 없다. 근본적으로 주머니배를 생명으로 볼 수 있는지에 관한 질문이 수반되는 논쟁이다.

11. 생명윤리법

대부분의 국가는 생명윤리법을 제정하고 있으며, 한국은 생명윤리 및 안전에 관한 법률이 있다. 이 법은 배아줄기세포를 만들기 위해 생명체로 자랄 수 있는 배아(신선배아)를 이용하는 행위를 금지하고 있다. 줄기세포를 추출하면 배아가 파괴될 수밖에 없기 때문이다. 따라서 정자와 수정되지 않은 난자(미수정란)나 불임치료 후 남아 폐기될 예정인 배아(냉동 배아)만 쓸 수 있다.[176] 기증 난자로는 연구할 수 없었다. 황우석 박사는 기증 난자를 사용했으나, 법률 개정 전이었다.

그러나 미국은 기증 난자로 연구하는 것을 허용하고 있다. 2006년 6월 하버드 대학교는 기증 난자를 사용해 체세포 배아복제 연구를 시작했다.[177] 2013년 황우석 박사의 연구 방식과 거의 비슷한 방식으로 배아줄기세포 복제를 9년 만에 성공했는데, 이때도 황우석 박사처럼 기증 난자를 사용했다.

12. 줄기세포 관광

줄기세포 관광은 환자들이 줄기세포 시술을 받기 위해 여행하는 의료 관광 산업의 일부이다.[109]

미국에서는 "줄기세포 클리닉"이 폭발적으로 증가했다.[110] 줄기세포 시술은 클리닉에 매우 큰 수익을 가져다준다. 이러한 클리닉의 광고는 권위적으로 들리지만, 시술의 효능과 안전성은 입증되지 않았다. 환자는 때때로 척추 종양[111] 및 사망과 같은 합병증을 경험하며, 높은 비용으로 인해 재정적 문제 또한 발생할 수 있다.[111] 연구자들은 이 문제에 대해 대중, 환자 및 의사를 교육할 필요가 있다고 강조한다.[112]

국제 줄기세포 연구 학회에 따르면, 줄기세포 치료법은 아직 개발 중이며 입증되었다고 말할 수 없다.[113][114] 의사는 이러한 치료법이 안전하고 효과적인지 확인하기 위한 임상 시험이 진행 중이지만, 일부 비윤리적인 클리닉에서는 이를 입증된 것처럼 제시하고 있다는 점을 환자에게 알려야 한다.[115]

13. 연구



줄기세포 치료는 다음과 같은 다양한 질병 및 상태에 대해 연구되고 있다.[127]

질병/상태참고
당뇨병[127]
안드로겐성 탈모증 및 탈모[124][125]
류마티스 관절염[127]
파킨슨병[127]
알츠하이머병[127]
호흡기 질환[126]
골관절염[127]
뇌졸중 및 외상성 뇌 손상 치료[128]
선천성 질환으로 인한 학습 장애[129]
척수 손상 치료[130]
심근 경색[131]
항암 치료[128]
탈모 역전[132]
누락된 치아 교체[133]
청력 회복[134]
시력 복원 및 각막 손상 치료[135][136]
근위축성 측삭 경화증[137]
크론병[138]
상처 치유[139]
남성 불임: 정원줄기세포의 부재로 인한 불임.[140] 최근 연구에서 과학자들은 세포를 재프로그래밍하여 정자로 바꾸는 방법을 찾았다. 다른 연구에서는 생쥐 고환에 인간 iPSC 세포를 도입하여 정자 생성을 회복했음을 입증했다. 이는 무정자증의 종식을 의미할 수 있다.[141]
여성 불임: 배아 줄기 세포로 만든 난모세포. 과학자들은 난소에서 발견되는 희귀한 세포 유형(0.014%)인 난소 줄기 세포를 발견했다. 이는 불임뿐만 아니라 조기 난소 부전(POI) 치료에도 사용될 수 있다.[142] Science Direct에 게시된 새로운 연구에 따르면 골수에 존재하는 줄기 세포를 사용하여 난소 환경에서 난포가 성장하도록 유발할 수 있다. 이 연구는 수정 능력을 개선하기 위해 인간 골수 줄기 세포를 면역 결핍 생쥐에 주입하여 수행되었다.[143] 화학 요법으로 인해 난소 기능이 손상된 생쥐를 사용하여 수행된 또 다른 연구에서는 생체 내 골수 줄기 세포를 이용한 치료가 손상된 난소를 치유할 수 있음을 발견했다.[144] 이 두 연구 모두 개념 증명이며 추가 테스트가 필요하지만 화학 요법 치료로 인해 POI가 있는 개인의 가임력을 개선할 가능성이 있다.
중증 사지 허혈[145]



줄기세포의 다양한 소스를 개발하고, 신경 퇴행성 질환 및 상태, 당뇨병, 심장 질환 및 기타 상태에 줄기세포 치료를 적용하기 위한 연구와 인간 발달, 기관 발생 및 인간 질병 모델링에 대한 이해를 높이기 위해 줄기세포를 사용하여 오가노이드를 생성하는 연구가 진행 중이다.[146][147]

최근 몇 년 동안 과학자들이 배아 줄기 세포를 분리하고 배양할 수 있게 되었고, 체세포 핵 이식을 사용하여 줄기 세포를 만들고 유도 만능 줄기 세포를 만드는 기술이 발전하면서, 줄기 세포 논쟁과 관련된 낙태 논쟁과 인간 복제에 대한 논란이 일었다.

간독성 및 약물 유발 간 손상은 개발 중인 신약의 실패와 시장 철수의 상당 부분을 차지하며, 약물 개발 과정 초기에 독성을 감지할 수 있는 줄기 세포 유래 간세포 유사 세포와 같은 스크리닝 검사의 필요성을 강조한다.[148]

14. 유효성

줄기세포를 치료에 이용하려면 수 주간의 배양이 필요하며, 오염을 피하려면 경험과 기술이 필요하다.[157] 혈소판 풍부 혈장(PRP)과는 달리, 특정 성장 인자와 사이토카인이 생산된다.[157] 하지만 병용이 가능하다.[157]

2016년의 리뷰는, 줄기세포를 사용한 화장품은 무작위 대조 시험(RCT)에 의한 증거가 부족하다고 지적하고 있다.[158]

대부분의 성장 인자는 20000Da의 분자량을 가지고 있으며, 분자량이 500Da을 초과하는 경우에는 도포해도 각질층을 통과하지 않으므로, 마이크로니들링을 사용하여 침투성을 높인다.[159] 25명을 대상으로 한 RCT에서, 마이크로니들링과 인간 배아 줄기세포 배양액을 함께 사용한 경우는 마이크로니들링만 사용한 경우(위약은 생리 식염수)보다 주름과 색소 침착이 유의하게 개선되었다(10주). 배양액에는 상피 성장 인자(EGF), 섬유아세포 성장 인자-2(FGF-2), 과립구-대식세포 콜로니 자극 인자(GM-CSF), 인터류킨-6 등이 포함되어 있었다.[159] 마찬가지로 48명을 대상으로 한 RCT에서도 인간 양막 줄기세포 배양액을 함께 사용한 쪽이 주름과 모공을 개선했다(2개월).[160] 10명 대상의 얼굴 반쪽 비교 시험에서는 양수 유래 중간엽 줄기세포 미용액을 병용한 쪽이 여드름 흉터를 개선했다(1개월).[161] 15명을 대상으로 한 RCT에서는 프랙셔널 RF와 인간 줄기세포 배양액을 함께 사용했을 때, RF만 사용한 경우보다 보습성, 색소 멜라닌, 붉은 기, 특히 피부 트러블이 개선되었다.[162]

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