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[김우재의 플라이룸](47)초파리의 내장과 줄기세포(2024. 01. 18 06:00)

2024. 01. 18 06:00 문화/과학 김우재 낯선 과학자

초파리 /위키미디어 커먼즈 인간의 복부 깊숙이 자리 잡고 있는 이 놀라운 장기는 종종 ‘제2의 뇌’라고 불린다. 소네트를 작곡하거나 방정식을 풀지는 못하지만, 이 복잡한 생물학적 경이로움은 우리의 전반적인 건강과 삶의 질에 지대한 영향을 미친다. ‘제2의 뇌’라는 타이틀은 장의 벽 내에 거주하는 놀라운 밀도의 신경세포에서 비롯된다. 소장신경계라 불리는 이 복잡한 네트워크는 약 5억 개가 넘는 뉴런으로 구성돼 있는데, 이는 두뇌 뉴런 수의 0.5%에 이르고, 뇌의 일부인 척수 및 기타 말초신경계의 다섯 배에 이르는 규모다. 소장신경계는 미주신경을 통해 두개골에 있는 ‘대뇌’와 양방향으로 의사소통해 소화, 영양소 흡수, 장 운동성을 제어한다. 본질적으로 우리의 장은 음식을 처리하고 내부 균형을 유지하는 중요한 임무에 집중된 자체 의식을 가지고 있는 셈이다. 우아한 이진체계: 초파리 유전학의 구원자들 1901년, 20세기의 벽두에 미국 뉴욕시의 컬럼비아대학에서 토머스 헌트 모건이 고전유전학이라 불렸던 초파리 유전학의 시작을 알린다. 이후 초파리 유전학은 미국이 유럽에 맞서 당당하게 내세우는 과학 분야로 성장했다. 하지만 영국에 유학 중이던 미국인 제임스 왓슨이 발견한 DNA 이중나선구조가 추동했던 분자생물학은 역설적으로 초파리 유전학의 확고한 지위를 위협하는 요소가 된다. 화학자와 물리학자로 구성된 분자생물학 그룹은 생화학적 실험 방법과 물리학적 개념 분석에 익숙하지 않았던 초파리 유전학자들을 유행에서 뒤처지게 했다. 바로 이 시기에 파지그룹의 일원이었던 시모어 벤저가 자신의 전문분야였던 박테리오파지 연구를 버리고, 초파리 행동유전학을 창시하는 일이 발생한다. 1974년 생체시계를 조절하는 최초의 유전자 ‘피리어드(period)’가 발견되고, 초파리 유전학은 행동을 조절하는 유전자라는 개념으로 다시 새롭게 조명받는다. 이렇게 야심 차게 시작된 초파리 행동유전학도 20세기 후반에 이르러 다시 시들해진다. 바야흐로 인간유전체계획이 시작되려 하고 있었고, 정교한 초파리 유전학은 여전히 불가능했으며, 생쥐 유전학자들은 ‘넉아웃 생쥐’를 만들며 초파리 유전학의 지위를 위협 중이었다. 바로 이 시기, 게리 루빈은 가장 빠르게 초파리 유전체계획을 성공시키며 초파리가 유전학의 성배임을 다시 한 번 입증한다. 때맞춰 루빈의 동료였던 노버트 페리몬은 효모 유전학에서 발견된 ‘GAL4/UAS’라는 바이너리 체계를 이용해 원하는 조직과 세포에 원하는 유전자를 원하는 시기에 발현시키는 방법을 발표한다. 이를 이용하면, 신경회로를 지도화할 수 있다. 현재 초파리 행동유전학자들은 초파리 뇌의 복잡한 신경회로를 시각화하고 특정 신경세포집단이 행동에 어떤 역할을 하는지 분석하고 있다. 또한 UAS 제어하에 이온 채널이나 신경전달물질을 발현시켜 신경활동을 조작함으로써, 초파리 행동유전학은 특정 뉴런을 인위적으로 활성화하거나 억제해 의사결정이나 기억과 같은 행동에 대한 그들의 인과적 관여를 밝혀내고 있다. 우아한 이진체계는 유전자 발현 패턴을 분석하고 표적 뉴런에서 유전자 기능을 조작함으로써 수면, 학습, 중독과 같은 고차원 뇌 기능의 신경적 기초를 조사해 인간과 같은 복잡한 뇌 기능의 분석까지 가능하게 만들고 있다. 우아한 이진체계가 등장하자, 초파리 행동유전학은 두 번째 르네상스를 맞이한다. 그 영광이 그러나 영원한 승리를 보장하지는 않았다. 줄기세포, 암, 마이크로바이옴, 초파리의 내장과 인간 초파리의 유전학적 도구는 눈부시게 발전했지만, 여전히 초파리에서 발견된 사실이 얼마나 인간에 유용한지에 대한 의문이 존재했다. 제약회사들은 생쥐 유전학 분야에 대부분의 연구비를 투자했고, 정부 역시 그런 유행을 좇았다. 20세기 초반 자본주의의 메카 뉴욕에서 시작된 초파리 유전학의 운명은 사실상 정해진 것이나 다름없었다. 초파리 유전학이 인간의 건강과 질병에 대한 유용함을 증명하지 못한다면, 초파리 유전학의 미래는 결코 보장받을 수 없는 것이었다. 모건 이후 두 세대 동안 초파리 고전 유전학이 전성기를 구가하던 시기를 제외하면, 초파리 유전학의 역사는 그 쓸모를 입증하기 위한 투쟁기라고 봐도 과언은 아니다. 연구비 경쟁이 심각해지는 20세기 후반부터, 초파리 유전학자 중 상당수가 인간 질병 연구 분야로 뛰어든다. 이 시기 인간 유전병을 유발한다고 알려진 대다수의 인간 돌연변이 유전자가 초파리에서 시험됐고, 그중 일부는 초파리 유전학의 도움으로 질병의 기제를 분자 수준에서 알아낼 수 있었다. 헌팅턴 무도병, 알츠하이머, 루게릭병 등을 비롯한 퇴행성 신경질환 연구는 초파리 행동유전학의 아류로 시작해 주류로 성장했으며, 당시 미국에서 주목받던 삶의 질 연구와 맞물려 다시 한 번 초파리 유전학의 유행을 이어가게 한다. 그렇다고 초파리 유전학에 대한 인간 및 생쥐 유전학자 그룹의 무시가 사라졌느냐면 그건 아니다. 영장류 유전학자들이 생쥐를 무시하듯, 생쥐 유전학자들은 초파리를 무시한다. 그리고 그 천대의 이면엔 생쥐가 인간과 유전적으로 더 가깝다는 암시가 존재한다. 퇴행성 신경질환 연구에 획기적 전환을 가져왔지만, 초파리 유전학에 대한 정부의 지원은 결코 증가하지 않았다. 2010년대의 초파리 유전학은 또다시 위기를 맞이하고 있었다. 바로 이 시기에 오바마 정부가 2013년 ‘브레인 이니셔티브’를 통해 인간유전체 연구에 맞먹는 수준의 뇌지도 구축 프로젝트를 발표했고, 게리 루빈은 하워드휴스의학연구소의 도움으로 자넬리아연구소를 열어 초파리의 뇌신경지도 작성에 착수한다. 2016년이 되면 오바마 정부의 마지막 과학프로젝트로 불리는 인간 마이크로바이옴(체내 미생물 생태계) 프로젝트가 시작된다. ‘국가 마이크로바이옴 이니셔티브’는 농업, 환경 복원, 인간 건강 등 다양한 분야에서 마이크로바이옴 연구를 발전시키는 것을 목표로 했다. 초파리의 내장과 과학의 쓸모에 관해 초파리 유전학자들이 평소엔 잘 들여다보지 않던 초파리 성체의 내장을 들여다보기 시작한 것도 이 시기였다. 게다가 초파리 내장엔 마이크로바이옴뿐 아니라 성체줄기세포가 유일하게 존재한다는 사실이 밝혀져 있었다. 다시금 인간의 건강 및 질병과 연결고리를 찾은 초파리 유전학자들은 홀린 듯 초파리 뇌에서 내장으로 연구 분야를 옮겨가기 시작했다. 다시 한 번 강조하지만, 20세기 후반 이후의 초파리 유전학은 어떻게든 그 유용함을 증명해 살아남겠다는 생존의 분투기였다. 4조6000억원의 연구개발 예산이 삭감된 지금, 한국 과학자들 역시 그 쓸모를 증명해야 할지도 모르겠다.

김우재의 플라이룸

[건강설계]박리성 골연골염, 줄기세포로도 치료(2020. 09. 04 16:27)

2020. 09. 04 16:27 건강 김태용 보건복지부 지정 관절전문 연세사랑병원 족부센터 과장(정형외과 전문의)

무리한 운동 후 시작된 발목 통증으로 내원하는 환자가 늘고 있다. 주로 발목이 시큰거리고 관절 주변부에 통증이 발생하는 경우다. 이러한 증상이 오래돼 왔다면 발목 관절 안의 연골 손상, 즉 ‘박리성 골연골염’이 원인일 수 있다. 보건복지부 지정 관절전문 연세사랑병원 족부센터 김태용 과장(정형외과 전문의)발목 안쪽 연골의 경우 한번 손상되면 스스로 치유하는 능력이 없어 시간이 지나도 개선되지 않는다. 따라서 약물치료와 물리치료를 시행했음에도 발목 통증이 지속될 경우 MRI 등 정밀검사를 통해 연골 손상의 여부를 진단해야 한다. 치료는 보존적 요법과 수술적 요법이 있다. 보통 보존적 요법을 시행했음에도 증세가 호전되지 않을 때 수술적 치료를 고려한다. 먼저 보존적 요법이다. 치료의 핵심은 과로한 발목을 쉬게 하는 것이다. 연골 손상 초기인 경우에는 보조기나 깁스로 수주 간 치료한다. 호전이 없다면 수술을 고려한다. 수술적 요법은 크게 관절내시경을 이용한 방법과 절개를 통한 방법을 적용한다. 증상의 진행 정도에 따라 치료법이 결정된다. 관절내시경을 통한 방법은 연골 손상 부위를 다듬어주는 ‘변연절제술’과 ‘미세천공술’이 있다. 미세천공술의 경우 연골 병변을 골수세포로 뒤덮어 치료하는 방식이다. 연골 손상 부위 아래쪽에 구멍을 뚫으면 골수세포가 나오게 되는데, 이로 하여금 연골 병변을 덮어 손상 부위를 치료하는 것이다. 만약 미세천공술로도 치료 효과를 보지 못했다면 자가 골연골이식을 받아야 한다. 자신의 무릎에 있는 연골을 채취한 후 이를 발목 연골 병변 부위에 이식하는 방식이다. 그러나 이 치료법의 경우 수술 난이도가 매우 높다. 최근에는 미세천공술에 ‘자가 지방 줄기세포 치료’를 더한 연골재생 치료가 진행되고 있다. 줄기세포는 다양한 세포로 분화·증식한다. 이러한 특징이 발목의 기능 회복을 돕고 연골재생을 유도한다. 세계적인 학술지에 게재된 한 논문에 따르면, 50세 이상 발목 골연골병변 환자들을 대상으로 관절경하 미세천공술 후에 지방 줄기세포 주사를 함께 시행할 경우 증상이 매우 좋아졌다. 모든 병이 그러하듯 조기에 진단하여 치료하면 결과도 좋을 뿐 아니라 수술 자체도 간단히 이루어질 수 있다. 10대에서 40대까지의 젊은 나이에 발목 관절 부위에 시큰거리거나 간혹 통증이 있는 경우 바로 발목 전문의의 진료를 받는 게 좋다. 그래야 병을 더 키우지 않는다.

건강설계

[건강설계]발목 관절염 초·중기, 줄기세포 치료 적합(2020. 07. 24 16:01)

2020. 07. 24 16:01 건강 글·관절전문 연세사랑병원 족부센터 김태용 과장(정형외과 전문의)

발목 관절염은 발목 관절 내에 손상된 연골 조각이 신경을 자극해 염증을 만들어 부종과 통증이 나타나는 질환이다. 보통 무릎에만 관절염이 진행되는 것으로 생각하기 쉬운데, 발목에도 관절염이 진행된다. 초·중기를 지나 말기에 이르면 관절 자체를 바꾸는 인공관절 수술이 필요하다. 발목 관절염의 경우 노화나 퇴행보다는 발목염좌(족관절염좌) 같은 잦은 접질림과 같은 ‘외상성’ 질환으로 나타나는 특징을 보인다. 관절전문 연세사랑병원 족부센터 김태용 과장 발목을 지지하는 인대 일부가 파열된 증상인데, 단순히 발목 접질림으로 치부해서 방치하면 발목을 보호하는 인대의 기능이 점점 약해져 ‘발목 불안정증’으로 진행될 수 있다. 족부관절의 기능이 약해진 상태에서 모든 체중 부담과 하중이 연골과 뼈로 향하는 순간부터 발목 관절염이 진행되는 것이다. 발목 관절염의 경우 치료 시점이 중요하다. 진단과 치료가 빠를수록 자신의 관절을 더 오래 보존할 수 있다. 최근에는 줄기세포 재생의학이 발목 관절염 치료에도 적용되며 치료 효과를 높이고 있다. 원리는 무릎 관절염 치료에 적용되는 줄기세포 치료법과 유사하다. 연골이 손상된 부위에 줄기세포를 주입해 재생을 유도하는 방식이다. 이 치료법의 목표는 연골 결손 부위를 회복시켜 ‘자신의 관절을 그대로 살리는 방법’이다. 줄기세포는 손상된 부위의 세포로 분화해 회복시키는 능력이 있다. 이를 이용한 관절염 치료 연구는 현재도 국내외에서 활발히 진행되고 있다. 특히 관절염 치료 분야에서 줄기세포의 활약은 눈부시다. 연골로 분화하는 능력은 물론 통증 완화, 기능 회복 등 유의한 임상 결과에 대한 연구논문이 지속적으로 발표되고 있다. 그렇다고 해서 줄기세포 치료가 만능이란 것은 아니다. 관절 내 연골이 어느 정도 존재하는 상태인 관절염 초·중기 단계에서 줄기세포 치료를 시도해 볼 수 있다. 자신의 발목 관절을 오래 보존하기 위해서는 초·중기 치료 시기를 놓치지 말아야 한다는 사실을 잊지 말자. 만약 연골 손상이 완전히 진행된 말기 단계까지 진행되었다면 어쩔 수 없이 발목 인공관절 치환술이 필요하다. 현재 수준의 인공관절은 자신의 것처럼 잘 사용할 수 있지만, 자신의 관절이 아니라는 심리적 부담감은 여전히 남는다. 따라서 자신의 관절을 최대한 오랫동안 보유하고 싶다면 줄기세포 재생치료의 시점을 간과해서는 안 된다.

건강설계

[건강설계]발목 관절염에도 중간엽 줄기세포 치료(2020. 06. 05 16:49)

2020. 06. 05 16:49 건강 글·관절전문 연세사랑병원 족부센터 김태용 과장

발목 관절염은 퇴행성보다 골절이나 염좌, 만성 발목불안정증 등이 원인인 외상성 관절염의 발생빈도가 약 70%로 높다. 발목골절 경험이 있거나 평소 발목을 자주 접질리는 만성 발목불안정증 증상이 있다면 발목 관절염에 특히 주의해야 한다. 발목 관절염의 주된 증상은 통증이다. 주로 족관절의 앞쪽 또는 족배부(발등)의 심부에서 통증이 발생한다. 또한 이들 중 다수의 환자가 관절 운동의 강직을 호소한다. 관절전문 연세사랑병원 족부센터 김태용 과장 치료는 크게 비수술적 요법과 수술적 요법으로 나뉜다. 먼저 비수술적 요법은 통증 완화 및 관절 기능 보존을 통해 발목 기능의 장애를 최소화시키는 것을 목표로 한다. 주로 비스테로이드성 소염제·주사치료·보조기 등을 처방한다. 또한 체중이 발목관절에 전달되지 않는 수영이나 아쿠아로빅·실내자전거 등 운동요법이 증상 완화에 도움을 준다. 그러나 어느 정도 진행된 발목 관절염의 경우 비수술적 요법만으로는 치료 효과를 기대할 수 없다. 이때는 수술적 요법을 통해 치료를 진행하는데 증상의 정도에 따라 다른 치료법이 적용될 수 있다. 초기 발목 관절염의 경우 관절 내시경을 활용해 발목의 골극 및 유리체 제거, 골연골 병변의 치료 등을 시행하는 ‘관절경적 변연절제술’을 통해 발목 통증의 감소는 물론 기능 향상까지도 기대할 수 있다. 이미 관절염이 진행돼 발목관절의 정렬이 정상 범위를 벗어났을 경우, 국소 접촉 압력과 전단력(서로 반대가 되도록 면을 따라 평행되게 작용하는 힘)이 증가하며 발목 내측 연골에 과부하가 발생하는데, 이로 인해 시간이 지날수록 관절염이 심해지게 된다. 이때에는 발목관절을 교정하기 위한 ‘과상부 절골술’을 통해 관절 접촉 면적을 분산시키고 넓혀 특정 연골 부위에 과부하가 집중되는 것을 방지할 수 있다. 골수와 지방세포에서 기원하는 중간엽 줄기세포는 연골세포로 분화할 수 있는 능력을 가지고 있다. 이러한 특성으로 인해 관절 연골 손상 치료의 새로운 대안으로 주목받는다. 최근에 골연골 병변의 치료와 중간엽 줄기세포 주입을 함께 시행하여 좋은 결과를 얻었다는 보고까지 나왔다. 발목 관절염은 말기까지 진행되면 인공관절 치환술 외에는 마땅한 치료법이 없다. 때문에 조기 진단을 통한 적절한 치료를 시행하여 관절염의 진행을 지연시키고, 자신의 관절을 보존하는 것이 중요하다.

건강설계

레이디경향(총 1 건 검색)

진화하는 줄기세포 지방이식술 바로 알기

2008. 11. 19 재테크

날씨가 건조해지면서 피부 주름이 더욱 눈에 거슬린다. 나이보다 2~3년은 더 들어보이게 만드는 주범으로 꼽히는 눈밑 주름, 미간 주름, 팔자 주름을 개선시키는 데 활용되는 기존 지방이식시술이 가진 취약점을 보완한 줄기세포 지방이식술에 시선이 가는 때다. 자가지방이식술의 업그레이드 줄기세포 지방이식술 있었으면 하는 곳은 빠지고, 없었으면 하는 곳에는 두둑하게 붙는 지방. 이 얄미운 노화의 증거를 배, 허벅지 등에서 채취해 꼭 필요한 곳에 이식하는 자가지방이식술은 인공 보형물을 사용하지 않는다는 점에서 선호도가 높다. 최근 불치병 치료용으로 연구되던 줄기세포가 성형에 응용되면서 기존 지방이식술의 부작용과 불편함을 보완한 새로운 개념으로 관심을 모으고 있다. 당초 줄기세포는 골수 체취로 한정되어 있다 보니, 과정도 힘들뿐더러 채취량도 적었다. 그러다 지방 흡입 과정에서 지방 조직 내 줄기세포가 존재한다는 것이 밝혀졌다. “일단 지방을 흡입한 뒤 순수한 지방 세포와 줄기세포를 정제하는 과정을 거치는데, 이를 통하여 줄기 세포의 활성화가 용이해진다. 실제 이식 시에는 환자의 상태에 따라 순수 정제 지방과 줄기 세포의 혼합 비율을 조정함으로써 더 좋은 결과를 얻어 낼 수 있다”고 미미성형외과 서성익 원장은 전한다. 기존 지방이식술의 가장 큰 단점은 2~3회 재시술이 필요하다는 것이었다. 자가지방을 이식하다 보니 일정 부분이 체내에서 흡수되기 때문이다. 지방세포와 줄기세포를 이식하는 줄기세포 지방이식술의 경우 이식된 지방의 생착률이 높아 1차 시술만으로 끝나는 경우가 많다. 보통 6개월 이후에도 시술 직후와 같은 상태로 유지되면 반영구적이라고 본다. 또 시술 후 붓기가 확실히 줄어든다는 장점도 있다. 체내 흡수될 지방량을 감안해 시술시 130~140%를 주입하는 일반 지방이식술과 달리 필요량만 이식하면 되기 때문이다. 줄기세포 지방이식술은 노화에 의해 연부 조직이 감소되는 부위에 효과적이다. 즉 노화의 흔적이 먼저 드러나는 팔자 주름, 광대뼈 아랫볼 등 안면부를 비롯해 코, 이마, 턱 등에 보형물을 대신해 활용되기도 한다. “유방 확대나 엉덩이 시술은 지방 흡입량이 상대적으로 많다는 점이 환자들에게 부담이 될 수도 있습니다. 출산 후 부분적으로 꺼진 유방 교정에 있어서는 줄기세포이식을 권할 만하며 비용면에서도 크게 부담이 되지 않습니다.” 서성익 원장은 기존 지방이식술보다 체내 흡수율이 낮다 보니 줄기세포 지방이식술은 피부가 얇은 코나 움직임이 많은 입 주변에도 시술이 가능하다고 한다. 시술 시간은 지방세포와 줄기세포 분리 시간이 추가됨에 따라 기존 지방이식술에 비해 2시간 정도 더 소요된다. 물론 국소 혹은 부분 마취로 입원할 필요 없이 당일 시술이 가능하다.Mini Interview Q 환자들의 만족도는? A 시술 실용화 초기라 구체적으로 조사된 바는 없으나 통상 보형물 삽입과 비교해 비교적 만족도가 높은 편이다. 일단 간단한 수술과정이고 자기 조직을 이식하여진행하는 시술이라 자연스럽다는 점에서 호응도가 높다. 시술 후 3개월 이상 지난 환자들의 상태를 보면 확실히 유지율이 높다. Q 줄기세포의 활용 전망은? A 지난 6월부터 일선 병원에서 지방 내 줄기세포 분리가 가능해졌다. 아직은 미미하지만, 기미와 탈모 등의 치료에도 활용될 것으로 예상된다. Q 비용면에서는 부담스럽지 않은지? A 기존의 지방이식술보다는 다소 비싼 편이지만, 추가적인 비용 발생을 줄일 수 있기 때문에 효과 대비 비용이 부담스럽지 않다. 시술과정은 각 병원마다 다소 차이가 있어 비용적인 부분도 달라질 수 있다.■글 / 장회정 기자 ■사진 / 원상희, 경향신문 포토뱅크 ■도움말&인터뷰 / 성형외과 전문의 서성익 (미미성형외과 원장)