Phenotypes and Cellular Mechanics of Primary Human Aorta- and Pluripotent Stem Cell-derived Vascular Smooth Muscle Cells

우리 혈관의 벽 안에는 혈류의 마스터 조절자 역할을 하는 특화된 근육 세포층이 존재합니다. 혈관 평활근 세포라고 알려진 이 세포들은 순환계의 문지기입니다. 이 세포들이 건강하고 성숙했을 때, 그들은 차분하고 단단하게 수축한 상태를 유지하며, 혈압을 유지하기 위해 일정한 힘으로 혈관을 열린 상태로 붙잡고 있습니다. 그러나 신체가 손상을 복구해야 하거나 질병이 닥쳤을 때, 이 동일한 세포들은 그 본성을 바꿀 수 있습니다. 그들은 움켜쥐던 힘을 풀고, 더 커지며, 찢어진 부위를 메우거나 새로운 조직을 만들기 위해 빠르게 증식할 수 있습니다. 이러한 안정적인 수축 상태와 분주한 성장 상태 사이를 전환하는 능력은 건강 유지에 필수적이지만, 동시에 동맥류라고 불리는 동맥의 약화 및 팽창과 같은 위험한 질환의 원인이 되기도 합니다. 이 세포들이 어떻게 작동하는지, 그리고 왜 때때로 실패하는지를 이해하기 위해 과학자들은 실험실에서 이들을 연구해야 합니다. 수십 년 동안 연구자들은 인간 기증자로부터 이 세포들을 직접 채취하는 방식에 의존해 왔으나, 이 접근법에는 중대한 결함이 있습니다. 모든 기증자는 서로 다르며, 세포는 몸 밖으로 나온 뒤 행동이 변하는 경우가 많아, 특정 결과가 질병 때문인지 아니면 사람 간의 자연적인 차이 때문인지 구별하기 어렵게 만들기 때문입니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 더 일관된 원천인 인간 유도만능줄기세포(human pluripotent stem cells)로 눈을 돌렸습니다. 이들은 체내의 어떤 조직으로도 변할 수 있는 마스터 세포들입니다. 과학자들은 이 줄기세포들을 특정 발달 경로로 유도함으로써, 배양 접시 안에 신선한 혈관 평활근 세포 공급원을 만들어냈습니다. 이들의 새로운 연구 목표는 이렇게 실험실에서 키운 세포들이 실제 인간 동맥에서 발견되는 것과 정말로 똑같이 행동하는지 확인하는 것이었습니다. 연구진은 줄기세포 유래 세포를 인간 대동맥(심장에서 혈액을 운반하는 큰 혈관)에서 직접 채취한 세포와 비교했습니다. 연구진은 실험실에서 만든 세포가 실제 세포의 두 가지 주요 상태, 즉 분주한 성장 상태와 차분한 수축 상태를 모방할 수 있는지 알고 싶었습니다. 또한, 이 세포들의 물리적 강도를 측정하여, 혈관이 그 형태를 유지하는 데 핵심적인 요소인 주변 환경에 가하는 힘이 어느 정도인지 확인하고자 했습니다.

연구팀은 먼저 줄기세포 유래 세포를 배양하고 이들이 평활근 유형이 되도록 정교하게 유도했습니다. 그들은 이 세포들이 실제로 두 가지 상태 사이를 전환할 수 있다는 것을 발견했습니다. 그대로 두었을 때, 세포들은 성장하는 합성 버전의 세포처럼 행동하며 증식하고 공간을 채웠습니다. 연구진이 특정 화학적 억제제를 배양액에 추가하자, 세포들은 분열을 멈추고 성숙한 수축형 세포로 변했습니다. 처리된 세포들은 더 커졌고, 내부 섬유가 더 강해졌으며, 근육 수축을 담당하는 단백질을 더 높은 수준으로 생성했습니다. 이 실험실 배양 세포들이 단순히 겉모습만 닮은 것이 아니라 실제로 기능하는지를 확인하기 위해, 연구팀은 이들의 물리적 강도를 측정했습니다. 그들은 단일 세포를 아주 작고 유연한 기둥 위에 올려놓고, 세포가 잡아당길 때 기둥이 얼마나 휘어지는지를 관찰했습니다. 또한 수백 개의 세포를 포함하는 3차원 조직을 구축하고, 이 작은 다발들이 조여질 때 발생하는 집단적인 힘을 측정했습니다.

결과는 실험실에서 키운 세포와 인간 기증자로부터 채취한 세포 사이에 놀라운 유사성이 있음을 보여주었습니다. 두 유형의 세포 모두 유사한 범위의 힘을 생성했으며, 기둥 하나당 10억 분의 1 뉴턴 단위의 힘으로 잡아당겼습니다. 이는 줄기세포 유래 세포가 자연 세포와 동일한 일을 수행할 수 있는 기계적 능력을 갖추었음을 확인시켜 주었습니다. 그러나 연구는 또한 신뢰성 측면에서 큰 차이점을 강조했습니다. 인간 대동맥에서 직접 채취한 세포들은 배치마다 매우 큰 차이를 보였습니다. 어떤 배치는 원하는 유형의 근육 세포로 가득 차 있었던 반면, 다른 배치는 대부분 다른 유형의 세포를 포함하고 있었으며, 그 강도와 행동은 기증자의 연령과 동맥의 특정 부위에 따라 예측 불가능하게 변했습니다. 반면, 줄기세포 유래 세포는 놀라울 정도로 일관적이었습니다. 모든 배치가 동일하게 행동했고, 화학적 스위치에 동일한 방식으로 반응했으며, 동일한 양의 힘을 생성했습니다.

연구진은 또한 동일한 화학적 처리를 사용하여 자연 기증자 세포를 더 성숙한 수축형 세포처럼 만들 수 있는지 테스트했습니다. 그들은 이것이 작동한다는 것을 발견했지만, 기증자 세포의 배치마다 그 반응이 일관되지 않았습니다. 어떤 배치는 강력하게 반응하여 훨씬 더 강해지고 수축력이 높아진 반면, 다른 배치는 거의 변화를 보이지 않았습니다. 이러한 불일치는 기증자 세포만을 사용할 때 명확한 결론을 내리는 것을 어렵게 만들었습니다. 연구는 인간 기증자로부터 얻은 세포가 유용하기는 하지만, 혈관의 역학을 연구하기 위한 완벽한 도구가 되기에는 너무 많은 '노이즈'를 동반한다고 결 결론지었습니다. 반면, 줄기세포 유래 세포는 깨끗하고 재현 가능한 모델을 제공합니다. 이 세포들은 성장 상태와 수축 상태 사이를 높은 정밀도로 전환할 수 있으며, 실제 인간 세포와 일치하는 힘을 생성합니다. 이는 과학자들에게 자연적인 인간의 변수라는 혼란 없이, 혈관이 어떻게 작동하는지, 질병으로 인해 어떻게 무너지는지, 그리고 새로운 약물이 이를 어떻게 고칠 수 있는지를 연구할 수 있는 신뢰할 수 있고 표준화된 도구를 제공합니다.