줄기세포로 심장근육을 재생할 수 있을까요?

심장은 인체에서 가장 재생력이 떨어지는 기관 중 하나입니다. 전 세계적으로 심부전이 사망 원인 1위가 된 것도 바로 그 때문이죠. 만약 손상을 입은 심근의 재생을 도울 수 있다면 어떨까요? 의사이자 과학자인 척 머리(Chuck Murry)가 줄기세포를 이용해 새로운 심장 세포를 배양하는 그의 획기적인 연구 결과를 소개합니다. 치료 수단으로서 줄기세포의 놀라운 약속이 이루어질 흥미진진한 첫걸음을 그와 함께 내딛어보세요.

여러분께 도나라는 환자에 대해
말씀드리려고 합니다.

이 사진을 찍을 당시에
도나는 70대 중반이었어요.

활기차고 건강한 여성이자
대가족의 가장이었죠.

하지만 그녀는 심장병의
가족력을 가지고 있었고

어느 날 갑자기 조이는 듯한
가슴 통증이 시작됩니다.

여기서 안타깝게도 도나는
의학치료를 찾기보다는

통증이 가실 때까지
12시간 정도 침대에 누워있었죠.

다음 번 그녀가 병원을 찾았을 때

심전도 검사를 받았고

한 차례의 큰 심장발작이
있었다는 것을 알게 됩니다.

의학용어로는 심근경색이라고 하죠.

이 심장 발작 이후에
도나는 예전과 달라졌습니다.

그녀의 활기도 점차 시들해지고

예전에 즐겨했던
운동도 할 수 없었습니다.

손자 손녀들과 함께 어울리기에
힘에 부치는 시점이 오게 되고

집 앞에 나가 우편물을 가져오는 것조차
너무 힘든 일이 되어버렸죠.

어느 날, 개를 산책시키기 위해
도나의 손녀가 방문했을 때

그녀는 할머니가 의자에 앉아
돌아가신 걸 발견했습니다.

의사들은 심장발작에 의한
부정맥이 원인이라고 했죠.

제가 마지막으로
여러분께 말씀드릴 것은

도나는 그저 평범한 환자가
아니었다는 사실입니다.

도나는 제 어머니였습니다.

유감스럽게도 이런 경우가
너무나 많습니다.

심장병은 세계적으로
가장 높은 사망 원인입니다.

미국 내에서 입원 환자의
가장 흔한 원인이고

의료비용의 가장 큰 부분을 차지합니다.

1000억 달러가 넘는
그야말로 엄청난 액수가

매년 우리 나라에서
심장병 치료에 쓰이고 있습니다.

참고로 그것은 워싱턴 주
1년 예산의 2배가 넘는 액수죠.

무엇 때문에 이 질병이
이렇게 치명적일까요?

그건 심장이 인체 내에서 가장 재생이
어려운 기관이란 사실에서 출발합니다.

심장 발작은 심장벽에
혈액을 공급하는 관상 동맥에

혈전이 생겼을 때 발생합니다.

이 혈전이 혈류를 막게 되면

대사가 활발한 심장 근육은

매우 빠르게 죽게 됩니다.

혈류 방해가 일어난
몇 시간 이내에 말이죠.

심장은 근육을 재생시킬 수 없기 때문에

치유되면서 근육조직에 흉터를 남깁니다.

이 때문에 환자의 심장은
근육량이 줄어들게 되죠.

그리고 대부분의 경우

심장이 더 이상 신체의 혈류 요구량을
따라가지 못하는 지점까지 진행됩니다.

이러한 공급과 수요의 불균형이
심부전의 핵심입니다.

그래서 이 문제에 대해
사람들에게 설명하면

그들은 어깨들 들썩이며
이런 반응을 보이곤 합니다.

"글쎄요, 척, 당신도 알다시피
우린 어떻게든 죽게 되어 있어요."

(웃음)

네, 그런데 그런 반응이 의미하는 것은

우리가 그래야만 하기 때문에
현 상황에 체념해 왔다는 것입니다.

우리가 체념해야만 할까요?

저는 더 좋은 방법이 있다 생각합니다.

그리고 그것은 줄기세포를
치료수단으로 사용하는 겁니다.

그러면 줄기세포가 정확하게 무엇일까요?

줄기세포를 현미경으로 들여다보면
별로 특별할 것이 없습니다.

줄기세포는 그저 단순한
작은 원형세포예요.

하지만 그 속엔 두 가지
놀랄만한 특성을 감추고 있습니다.

첫 번째로 줄기세포는
미친듯이 분열할 수 있습니다.

그래서 세포 하나만 있으면

한 달 만에 몇십억 개로
늘릴 수 있죠.

두 번째로 줄기세포는 분화하면서
더욱 특별한 형태로 바뀝니다.

그래서 이 작은 단순원형세포는
피부세포나 뇌세포가 될 수도 있고

신장 세포 등 여러 형태로 될 수 있죠.

우리 몸에서 일부 조직은
줄기 세포로 가득차 있습니다.

예를 들어 골수는 매일 수십억 개의
줄기세포를 만들어 냅니다.

심장과 같은 다른 조직들은
세포 활동이 꽤 안정적이죠.

우리가 아는 한, 심장은
줄기 세포가 전적으로 부족합니다.

그래서 다른 곳의 줄기세포를
심장으로 가져와야 하죠.

그러려면 가장 강한
줄기세포 타입이 필요한데

그것이 만능 줄기세포입니다.

만능 줄기세포라고 부르는 이유는

이 세포가 신체를 구성하는
약 240개의 세포 형태 중에서

어떤 것으로도
변할 수 있기 때문입니다.

제 아이디어는 이렇습니다.

저는 인간의 만능줄기세포를 가져다

그것을 대규모로 배양한 다음

심근세포로 분화시켜

그 세포들을 배양접시에서 꺼내

심장 발작을 겪은 환자의 심장에
이식하는 겁니다.

새로운 근육조직이 심벽에서 자랄 것이고

이것이 심장의 수축기능을
회복시킬 거라 생각합니다.

(박수)

자, 감탄하실 필요가 없는 게
이건 제 20년 전 아이디어였어요.

(웃음)

당시에 저는 어렸고,
기대에 가득차 있었어요.

5년 정도 연구하면

이걸 대규모로 만들어내서
임상에 적용할 수 있다고 생각했죠.

그런데 실제로 일어난 일을
말씀드릴게요.

(웃음)

저희는 이 만능줄기세포를 심근세포로
바꾸기 위한 연구를 시작했습니다.

첫 실험은 어느 정도 성과가 있었어요.

배양접시에서 실제로 박동하는
인간 심근세포 응집체를 얻어냈죠.

그건 굉장한 일이었어요.

왜냐하면 이론상으로
그렇게 될 수밖에 없으니까요.

그런데 세포 개수를 세어보니

천 개의 줄기세포 중에서 단 하나만

실제로 심근세포로 바뀌었다는 것을
알게 되었습니다.

나머지는 뇌세포과 피부세포, 연골,
내장세포가 뒤섞인 상태였죠.

그러면 여러분은 뭐든지 될 수 있는
이 세포를 어떻게 잘 달래서

심근 세포로만 변하도록 하시겠어요?

그러기 위해 저희는
발생학에 도움을 구했습니다.

한 세기가 넘도록 발생학자들은
심장 발달의 비밀을 연구해왔습니다.

그들은 우리에게 근본적으로
구글 지도를 준 거였어요.

하나의 수정란에서 시작해서

어떻게 사람의 심혈관계로까지
진행하는지 말이죠.

그래서 저희는 부끄러움을 버리고
이 모든 정보를 가져다가

배양접시에서 심혈관계 발달과정이
일어나도록 시도했습니다.

이게 5년이 걸렸어요.

하지만 이제는 줄기 세포의 90%를
심근으로 분화시킬 수 있습니다.

900배나 향상된 결과죠.

이건 너무 신나는 일이었어요.

보고 계신 것은 저희가
최근에 만든 세포입니다.

심근세포를 배양해서 만든
3차원 세포응집체인데요.

'심장 오가노이드'라고 합니다.

오가노이드 하나당 500~1000개의
심근 세포가 있습니다.

자세히 보면 이 작은 오가노이드들이
실제로 수축하는 것을 볼 수 있습니다.

각각 독립적으로 뛰고 있죠.

하지만 여기에 한가지 비밀이 있습니다.

저희는 태평양 북서부 연안에 서식하는
해파리의 유전자를 채취한 다음

'유전자 편집'이란 기술을 이용해

이 유전자를 줄기세포에
이어 붙였습니다.

그래서 심근세포가 뛸 때마다
초록빛을 띠게 만들었죠.

이제 마침내 저희는 동물 실험을
시작할 준비가 되었습니다.

우리가 배양한 심근세포를

의도적으로 심장 마비를 유도한
실험용 쥐의 심장에 이식했죠.

한 달 뒤, 저는 초조한 마음으로
현미경을 들여다 봤습니다.

무엇이 자라났는지 보려고 말이죠.

그리고 저는...

아무것도 보지 못했습니다.

다 죽어버린 겁니다.

하지만 저희는 여기에 굴하지 않고

"생존촉진 칵테일"이라 불리는
생화학적 혼합제제를 만들었습니다.

이것은 스트레스가 많은
이식 과정을 거치는 동안

세포들이 살아남도록 하기에
충분했습니다.

그리고나서 현미경을 들여다봤을 때

새로운 어린 인간 심근세포가

손상을 입은 쥐의 심벽에서
다시 자라나는 것을 볼 수 있었죠.

일이 점점 더 흥미로워졌어요.

다음 질문은 이것이었습니다.

이 새로운 근육이 심장의 다른 부분과
맞춰 동시에 박동할 수 있을까?

이것에 답하기 위해

저희는 해파리 유전자를 심은
세포로 돌아갔습니다.

저희는 이 세포들을 기본적으로
탐사선처럼 이용했습니다.

이 세포를 낯선 환경으로 보내면

생리 활동을 불빛으로
알려줄 수 있도록 말이죠.

지금 보고 계신 것은

기니피그 심장의 흑백영상을
확대한 것으로

손상 후 인간 심근 세포
세 개를 이식 받은 것입니다.

여기서 사선으로 이어지는
하얀 선들을 보실 수 있는데요.

그 선들은 각각 바늘이 주입된 경로로

수백만 개의 인간 심장 근육을
포함하고 있습니다.

이제 이 영상을 재생하면

현미경으로 저희가 봤던 것을
여러분들도 보실 수 있습니다.

세포들이 빛나고 있죠.

손상된 뒤쪽 심장 벽의 박동에 맞춰
동시에 빛을 내고 있습니다.

이것은 무엇을 의미할까요?

세포들이 살아있다는 것을 뜻합니다.

세포들이 건강하게 박동하고 있고

다른 세포와 함께 박동할 수 있도록
서로 연결되었다는 것을 의미하죠.

그런데 이제 더 재밌어집니다.

화면 아래쪽을 따라 나타나는 그래프는

기니피그가 가진 원래 심장의
심전도 그래프입니다.

아래쪽에 나타나는 심장박동과
불빛을 맞춰보면

완벽하게 일대일로 일치하는 걸
보실 수 있습니다.

다시 말해, 기니피그의 선천적인
심박 조율기가 지휘하면

인간의 심근 세포가
발을 맞춰 따라가는 것이죠.

마치 잘 훈련된 군인처럼요.

(박수)

최근에는 실제 환자 반응를 예측하기에
가장 적합하다고 생각되는 것으로

연구대상을 바꾸었는데요.

바로 짧은 꼬리 원숭이입니다.

보시는 것은 짧은 꼬리 원숭이의
심장 현미경 사진인데요.

실험상 심장 발작을 유도한 후
식염수 주사 처리를 한 것입니다.

본질적으로 병의 흔적을 보여주는
위약 처리라고 할 수 있습니다.

짧은 꼬리 원숭이의 심장 근육은
붉은색으로 나타나고

심장 발작으로 생긴 흉터 조직은
푸른색으로 나타나죠.

심장벽 일부에서 많은 근육 결손이
일어난 것을 확인할 수 있습니다.

그리고 이 심장이
많은 동력을 만들어내기 위해

얼마나 무리해야 하는지
짐작하는 건 어렵지 않죠.

반면에 이 사진은
줄기세포로 치료된 심장입니다.

원숭이의 심장이
붉은색으로 나타나 있죠.

그런데 푸른색 흉터 조직은
찾기가 힘듭니다.

인간 심근 세포를 이용해
심근을 재생시켰기 때문이죠.

이렇게 멋지고 포동포동한
심벽을 얻을 수 있었죠.

자, 그럼 다시 정리해볼까요.

저는 여러분께 줄기세포를 이용해서

심근세포로 분화가
가능하단 걸 보여드렸습니다.

이식 후에도 세포가
죽지 않게 하는 방법을 알았고

그 세포들이 심장의 나머지 부분과
일치하며 박동하는 것을 보여드렸습니다.

그리고 규모를 키워

인체 반응 예측에 가장 적합한 동물로
실험한 결과도 보여드렸습니다.

여러분은 이제 모든 장애물이
제거됐다고 생각하시겠죠?

사실은 아닙니다.

짧은 꼬리 원숭이 연구로
또 하나 알게 된 사실은

인간 심근 세포에서 전기적 불안정
시기가 나타난다는 것이었습니다.

그 세포들은 심실 부정맥,
즉 불규칙한 심박을 일으켰습니다.

이식 후 몇 주 동안 말이죠.

이건 예상 밖의 일이었습니다.

왜나하면 다른 작은 동물에게선
발견하지 못한 것이었거든요.

이를 집중적으로 연구한 결과

우리 세포가 미성숙했던 게
원인인 것으로 밝혀졌고

미성숙한 심근 세포가 심박조율기처럼
행동한다는 걸 알았습니다.

그 세포들을 심장에 이식하면

심장의 선천적 심박조율기와
경쟁을 시작했던 거예요.

누가 지휘권을 갖느냐를 두고 말이죠.

이것은 마치 십대 아이들 여러 명을

잘 정돈된 집에
데리고 가는 것과 같아요.

그 아이들은 여러분의 일처리 방식이나
규칙을 따르지 않을 겁니다.

모든 사람을 제어하고 조화롭게
일하게 하려면 시간이 필요하죠.

현재의 저희 계획은

세포들을 배양 접시에서 문제가 되는
청소년기를 잘 넘기도록 만들고

그 다음, 후기 청소년기에 이른
세포들을 이식할 것입니다.

훨씬 더 질서가 잡혀있고

행진 지시에 따를 준비가 된 시기죠.

한편으로는, 항부정맥제 치료도
효과가 있다는 게 밝혀졌습니다.

그런데 중요한 질문 하나가
여전히 남아있습니다.

물론 그것은 이 연구의
목적이기도 한데요.

손상을 입은 심장의 기능을
실제로 회복시킬 수 있을까요?

이 질문에 대답하기 위해서

"좌심실 박출율"이라는 것에
주목했습니다.

박출율은 단순하게 매 박동시마다
심실 수축으로 분출되는 혈류량입니다.

건강한 짧은 꼬리 원숭이의 경우,
건강한 사람도 마찬가집니다만

박출율은 약 65%입니다.

심장발작 후에는
박출율이 40%까지 떨어집니다.

그러면 이 동물은 심부전으로 가는
단계에 놓이는 거지요.

이 동물에게 위약을 주입하고
한 달 후에 심장 스캔을 해보면

박출율에 변화가 없다는 것을
알게 되었습니다.

당연하게도 심장은 자연적으로
회복되지 않으니까요.

하지만 인간 심근 세포를
이식받은 동물은 하나같이

심장 기능에서
상당한 개선을 보였습니다.

박출율이 평균 8%, 그러니까
40%에서 48%로 개선됐죠.

여러분께 말씀드릴 수 있는 것은

그 8%가 현 의료계의 어떠한
수치보다 낫다는 것입니다.

심장발작을 겪은 환자를
치료하는 데 있어서요.

이제까지 해왔던 것을
다 합한 것보다 낫습니다.

임상에서 이 8%를 실현할 수 있다면

인체 건강에 있어 큰 영향을
미치는 일이 될 것입니다.

하지만 이게 더 흥미로워집니다.

그것은 이식 후 단지
4주가 지난 후의 결과였습니다.

이 연구를 석 달로 연장하면

완전한 22%의 박출율
증가를 얻을 수 있습니다.

(박수)

이렇게 치료받은 심장이
너무 잘 작동해서

이 동물들에게 심장발작
이력이 있다는 걸 몰랐다면

기능적 측면에서는
구별을 하지 못할 것입니다.

더 나아가 저희 계획은 1단계로
인간 대상 임상실험을 시작하는 겁니다.

2020년에 이곳 워싱턴 대학에서요.

앞으로 2년 후에 말이죠.

이 연구가 안전하고
효과적이라는 전제하에

저는 그럴 것이라고 생각하지만요..

저희 계획은 규모를 키워
이 세포들을 전 세계에 보내

심장병을 앓는 환자를
치료하는 것입니다.

이 질병이 세계적으로
큰 문제임을 고려할 때

분명 연간 수백만 이상의 환자가
이 기술로 치료될 거라 생각합니다.

저는 앞으로 십년 쯤 후를 그려봅니다.

저희 어머니와 같은 환자가

근본 원인을 해결할 수 있는
실질적 치료를 받는 것을요.

단지 증상만 관리하는 게 아니고요.

이는 줄기세포가 인체를 보수할 수 있는
가능성을 주었다는 것에서 비롯됩니다.

그 인체의 일부를 이용해서 말이죠.

머지않은 미래에

인체를 보수하는 것은

터무니없는 공상 과학이 아니라

평범한 의료행위가 될 것입니다.

이 일이 일어나면

획기적인 변화를 가져올 것이고

그것은 백신과 항생제의 개발에
필적할 것입니다.

들어주셔서 감사합니다.

(박수)