Bridging scale-up to transplantation: pluripotent stem cell-derived pancreatic islet encapsulation in emulsion-generated high concentration alginate beads

제1형 당뇨병은 신체의 면역 체계가 인슐린을 생성하는 췌장의 특정 세포를 실수로 파괴하는 질환으로, 인슐린은 혈당을 조절하는 데 필수적인 호르몬입니다. 이 세포들이 없으면 사람들은 생존을 위해 매일 인슐린 주사에 의존해야 합니다. 수십 년 동안 과학자들은 신체의 자연스러운 포도당 관리 능력을 회レスト하기 위해, 잃어버린 세포를 대체할 방법을 찾아왔습니다. 한 가지 유망한 방안은 다양한 유형의 조직으로 변할 수 있는 미성숙 세포인 줄기세포로부터 새로운 인슐린 생성 세포를 만드는 것입니다. 하지만 이 줄기세포를 자연적인 췌도와 같이 행동하는 기능적인 세포 군집으로 만드는 것은 문제의 절반에 불과합니다. 환자 치료에 유용하려면 이 세포들을 대량으로 키워야 하는데, 이 과정에서 세포들이 거대하고 건강하지 못한 덩어리로 뭉치거나 실험실에서 생존을 위해 필요한 움직임에 의해 손상되는 경우가 빈번합니다. 더욱이, 일단 성장한 세포들은 이식 후 거부 반응을 막기 위해 환자의 면역 체계로부터 보호받아야 하며, 이는 대개 환자가 강력한 약물을 평생 복용해야 하는 장애물을 만듭니다.

맥길 대학교의 연구팀은 이러한 문제들을 동시에 해결할 수 있는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 해조류에서 추출한 천연 물질인 알지네이트로 만든 아주 작은 보호용 구체 안에 줄기세포 유래 세포들을 키우는 방식을 고안했습니다. 세포들이 완전히 성숙하기 전에 이 구체 안에 배치함으로써, 연구진은 세포들이 서로 달라붙거나 실험실의 움직임으로 인한 기계적 스트레스로 인해 죽지 않고도 대형 교반 탱크 안에서 대량으로 배양할 수 있다는 것을 발견했습니다. 더 중요한 것은, 이 보호용 구체가 이식된 후에도 쥐에게서 면역 억제제를 투여하지 않고도 세포들이 수개월 동안 생존하고 기능할 수 있게 했다는 점입니다. 이 연구는 많은 사람을 치료할 수 있을 만큼 충분한 세포를 생산할 수 있는 확장 가능한 제조 공정과, 신체의 방어 기제로부터 세포를 안전하게 유지하는 길을 제시합니다.

이 여정은 특정한 과제에서 시작되었습니다: 바로 줄기세포 유래 췌도를 대량으로 키우는 방법입니다. 실험실에서 이 세포들은 산소와 영양분을 충분히 공급받을 수 있도록 끊임없이 움직여주는 액체 현탁액 상태에서 배양됩니다. 이는 소규모 배치에는 효과적이지만, 인간 치료에 필요한 규모로 확대하면 세포들이 서로 충돌하고 융합하여 거대하고 불규칙한 덩어리가 됩니다. 이러한 덩어리는 너무 커져서 중심부까지 영양분이 도달하지 못하게 되어 세포 사멸을 초래합니다. 또한, 저어주는 물리적인 힘은 섬세한 세포에 손상을 줄 수 있습니다. 연구진은 만약 세포가 성숙하기 전 단계에서 각 작은 세포 군집을 보호용 껍질로 감쌀 수 있다면, 세포들이 서로 융합하는 것을 방지하고 대규모 바이오리액터의 가혹한 힘으로부터 보호할 수 있을 것이라고 가설을 세웠습니다.

이를 테스트하기 위해, 연구팀은 먼저 인간 줄기세포를 췌도와 유사한 형태를 띠기 시작하는 군집으로 키웠습니다. 그런 다음 기름과 물을 이용한 공정을 통해, 각각의 액체 알지네이트 용액 속에 작은 세포 그룹이 담긴 수천 개의 작은 방울을 만들었습니다. 특정 화학적 트리거를 추가하여, 이 액체 방울들을 단단한 겔 형태의 비드로 변화시켰습니다. 연구진은 환경이 세포에 어떤 영향을 미치는지 확인하기 위해 부드러운 것부터 상당히 딱딱한 것에 이르기까지 다양한 강도의 알지네이트 겔을 실험했습니다. 그 결과 세포들은 모든 조건에서 잘 생존했지만, 겔의 딱딱함이 발달하는 세포의 유형에 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 더 딱간 겔에서는 세포들이 글루카곤이라는 호르몬을 생성하는 알파 세포가 될 가능성이 높았고, 더 부드러운 환경이나 캡슐화되지 않은 그룹에서는 인슐린을 만드는 특정 유형인 베타 세포가 더 많이 생성되었습니다. 이러한 차이에도 불구하고, 모든 그룹의 세포들은 당 수치를 감지하고 필요할 때 인슐린을 방출하는 능력을 유지했습니다.

가장 중요한 시험은 연구진이 캡슐화된 세포들을 산업적 제조에 사용되는 대형 탱크의 소형 버전인 100밀리리터 바이오리액터로 옮겼을 때 이루어졌습니다. 연구진은 세포들이 보호 기능을 유지하는지 확인하기 위해 25일 동안 세포를 배양했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 자유롭게 떠다니도록 남겨진 비캡슐화 세포들은 거대하고 융합된 덩어리로 자라났으며, 원래 세포의 약 60퍼센트만이 살아남았습니다. 반면, 캡슐화된 세포들은 뚜렷하고 균일한 군집 상태를 유지했으며, 연장된 배양 기간 동안 91퍼센트가 생존했습니다. 보호용 껍질이 세포들이 서로 붙는 것을 성공적으로 방지했을 뿐만 아니라, 저어주는 동작의 물리적 스트레스로부터 세포를 보호했다는 것을 입증했습니다. 이는 이 방법이 치료에 필요한 귀중한 세포들을 잃지 않고도 규모를 확장할 수 있음을 보여주었습니다.

이 세포들이 실제 살아있는 몸 안에서 실제로 작동할 수 있는지 확인하기 위해, 연구진은 면역 체계가 결핍되어 세포가 공격받지 않도록 유전적으로 조작된 쥐에게 캡슐화된 군집을 이식했습니다. 쥐의 복강 내부에 세포를 직접 이식했는데, 이는 이러한 연구에서 흔히 쓰이는 부위입니다. 결과는 세포들이 거의 즉시 작동하기 시작했음을 보여주었습니다. 일주일 이내에 쥐들은 이식된 세포들이 성공적으로 인슐린을 만들고 있음을 나타내는 지표인 인간 C-펩티드를 생성하기 시작했습니다. 이후 98일 동안 세포들은 식사에 반응하여 인슐린을 방출하고 혈당을 조절하며 계속해서 기능을 수행했습니다. 연구진이 3개월 후에 세포를 검사했을 때, 세포들은 건강하고 생존력이 높았으며 인슐린을 계속 생산하고 있었고, 이식 시 흔히 발생하는 흉터 조직이나 면역 공격의 징후도 보이지 않았습니다.

이 연구는 실험실에서의 줄기세포 치료법 생성과 실제 의학적 적용 사이의 결정적인 연결 고리를 제공합니다. 이 세포들을 대량으로 키울 수 있고, 손상으로부터 보호할 수 있으며, 즉각적인 면역 거부 반응 없이 성공적으로 이식될 수 있음을 증명함으로써, 연구진은 이 분야의 가장 큰 두 가지 장애물을 해결했습니다. 설명된 방법은 비교적 간단하며 복잡하거나 특수한 장비를 요구하지 않아, 미래의 제조를 위한 실용적인 옵션이 됩니다. 비록 이 세포들이 (표준적인 고혈관화 부위인) 신장 캡슐 아래에 배치된 세포들만큼 많은 양의 인슐린을 생성하지는 못했지만, 복강 내에서 3개월 동안 기능을 유지했다는 점은 큰 진전입니다. 이 연구는 이 접근 방식이 더 정교해진다면, 당뇨병을 치료하는 데 필요한 수백만 개의 세포를 생산할 수 있는 신뢰할 수 있고 확장 가능한 방법을 이끌어낼 수 있음을 시사하며, 환자들이 더 이상 매일의 주사에 의존하지 않아도 되는 미래를 제안합니다.