Stepwise direct reprogramming of adult human dermal fibroblasts into tendon-like cells via transcription factor optimization and 3D culture

소아 외과 분야에서 횡격막(가슴과 배를 나누고 우리가 숨을 쉬는 데 도움을 주는 근육)의 구멍을 수리하는 것은 매우 중대한 도전입니다. 결함이 너무 커서 단순히 꿰매어 막을 수 없는 경우, 외과 의사들은 종종 확장 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE)과 같은 재료로 만든 합성 패치에 의존합니다. 이러한 인공 시트들은 단기적으로는 신체를 지탱해 줄 수 있지만, 결정적인 결함이 있습니다. 바로 그것이 '죽은 물질'이라는 점입니다. 그것들은 성장하지 못하며, 아이의 확장하는 신체에 적응하지 못하고, 시간이 지남에 따라 감염이나 석회화의 위험을 초래합니다. 의사들의 궁극적인 목표는 이러한 정적인 패치를 아이의 몸이 받아들일 수 있고 아이와 함께 성장할 수 있는 살아있는 조직으로 대체하는 것입니다. 이를 달ic하기 위해 과학자들은 '직접 재프로그래밍(direct reprogramming)'이라 불리는 방법을 탐구하고 있습니다. 이 과정은 신체의 한 부분에서 유래한 성숙하고 특화된 세포를 가져와, 줄기세포를 먼저 만들 필요 없이 완전히 다른 유형의 세포로 변형시키도록 새로운 지침을 부여하는 것을 포함합니다. 연구자들이 던져온 질문은, 흔한 피부 세포를 횡격막의 핵심 구성 요소인 건(tendon, 힘줄) 세포로 바꿀 수 있는지 여부였습니다.

교토 조립 대학 의학부의 연구팀은 성인 인간의 피부 세포를 건 유사 세포로 변형시키려는 시도를 통해 이 질문에 답하고자 했습니다. 그들은 먼저 성인 인간의 진피 섬유아세포(dermal fibroblasts)로 시작했습니다. 이 세포들은 콜라겐을 생성하고 조직 구조를 유지하는, 피부에서 발견되는 일꾼 세포입니다. 이 세포들은 풍부하고 환자로부터 얻기 쉬워 이상적인 출발점이 됩니다. 과학자들은 해롭지 않은 바이러스를 사용하여 이 피부 세포들에 특정 유전자 그룹을 도입했습니다. 이 유전자들은 세포에게 어떤 단백질을 만들고 어떤 역할을 수행할지 알려주는 마스터 스위치, 즉 전사 인자(transcription factors) 역할을 합니다. 처음에 연구팀은 건의 발달을 유도하는 것으로 알려진 인자들과 세포를 더 유연하고 변화하기 쉽게 만드는 인자들을 포함하여 여섯 가지의 서로 다른 요인 조합을 테스트했습니다. 그들은 이 '칵테일'이 피부 세포로 하여금 원래의 정체성을 잊게 하고, 건을 형성하는 세포인 테노블라스트(tenoblast)의 특성을 채택하도록 강제할 수 있는지 확인하고 싶었습니다.

실험 결과, 여섯 가지 인자 조합은 효과가 있었습니다. 피부 세포는 테노듈린(tenomodulin)과 트롬보스폰딘-4(thrombospondin-4)라는 높은 수준의 단백질을 생성하기 시작했는데, 이 두 단백질은 건 세포의 명확한 표지자 역할을 합니다. 연구진이 현미경으로 세포를 관찰했을 때, 그들은 물리적인 변화를 목격했습니다. 원래의 피부 세포는 짧고 방추형이었으나, 재프로그래밍된 세포들은 길고 가늘게 늘어나 실제 건의 섬유와 유사한 모습을 보였습니다. 이 새로운 세포들이 안정적인지 확인하기 위해 연구팀은 이들을 생쥐의 피부 아래에 이식했습니다. 일주일 이내에 세포들은 생존하여 이식 부위에 작은 클러스터를 형성했으며, 이는 재프로그래밍된 세포가 즉시 죽거나 염증을 일으키지 않고 살아있는 몸 안에서 지속될 수 있음을 증명했습니다. 이 초기 성공은 개념의 실행 가능성을 확인해주었지만, 연구팀은 여섯 가지 인자를 사용하는 것이 필요 이상으로 복잡하다는 것을 알고 있었습니다. 그들은 동일한 결과를 얻기 위해 가장 단순하고 효율적인 레시피를 찾고자 했습니다.

제거법을 통해 연구진은 최소한의 세트로 필요한 인자들을 테스트했습니다. 그들은 네 가지 인자(SCX, MKX, OCT3/4, MYCL)만으로도 충분하다는 것을 발견했습니다. 연구는 이 각 인자가 변형 과정에서 뚜렷한 역할을 한다는 것을 밝혀냈습니다. 한 인자인 OCT3/4는 테노듈린 유전자를 켜는 데 필수적이었고, 또 다른 인자인 SCX는 트롬보스폰딘-4 생성의 주요 동력이었습니다. 나머지 두 인자는 과정이 원활하고 효율적으로 진행되도록 도왔습니다. 이 발견은 중요한데, 왜냐하면 원하는 세포 유형을 만들기 위해 필요한 유전적 지침의 수를 줄여 절차를 단순화했기 때문입니다. 연구진은 이렇게 성공적으로 전환된 세포들을 '직접 전환된 테노블라스트(directly converted tenoblasts)'라고 명명했습니다. 그들은 이 세포들이 피부 세포에서 시작되었음에도 불구하고, 건 세포처럼 보이고 올바른 단백질을 생성한다는 것을 확인했습니다.

그 후 연구팀은 세포가 자라는 환경이 발달을 개선할 수 있는지 조사했습니다. 2차원 배양(two-dimensional culture)이라 불리는 평평한 접시에서 자란 세포들도 좋은 결과를 보였지만, 연구진은 더 자연적인 3차원 환경이 도움이 될지 궁금해했습니다. 그들은 전환된 세포 중 일부를 신체의 자연스러운 비계(scaffolding) 역할을 하는 물질인 콜라겐 젤에 심었습니다. 그들은 세포를 이미 평평한 접시에서 일정 시간 보낸 후에 3차원 젤로 옮기는 것이 건 표지자의 발현을 더욱 촉진한다는 것을 발견했습니다. 구체적으로, 과정 중간에 젤로 옮겨진 세포들이 가장 높은 수준의 핵심 단백질을 보여주었습니다. 이는 세포들이 복잡한 3차원 구조가 성숙을 더 도울 수 있기 전에, 먼저 단순한 환경에서 새로운 정체성을 확립해야 함을 시사했습니다.

결과는 유망했지만, 연구진은 현재 연구의 한계를 주의 깊게 언급했습니다. 그들은 접시 안에서 건 세포처럼 보이고 행동하며 생쥐 내에서 단기간 생존하는 세포를 만드는 데 성공했지만, 이 세포들이 실제 건의 물리적 스트레로를 견딜 수 있는지, 혹은 장기적으로 성장하는 신체에 완전히 통합될 수 있는지는 아직 테스트하지 않았습니다. 이 연구는 새로운 조직의 강도나 이것이 인간 환자에게 얼마나 잘 기능할지를 측정하지 않았습니다. 그러나 이 연구는 명확하고 단계적인 경로를 제공했습니다. 필요한 네 가지 특정 인자를 식별하고 세포를 배양하는 최선의 방법을 찾아냄으로써, 연구팀은 환자 맞춤형 건 조직을 만들기 위한 토대를 마련했습니다. 이 접근 방식은 결과적으로 횡격막 탈출증이 있는 아이들에게 정적인 이물질이 아닌, 환자와 함께 적응하고 성장하는 살아있는 패치를 제공하는 해결책으로 이어질 수 있습니다.