줄기세포연구현황과미래전략 김동욱 세포응용연구사업단 / 연세대의대
- 목차 - I. 줄기세포란? II. 국내외동향 ( 국외동향 / 국내동향 ) III. 우리나라의경쟁력 ( 연구비 / 연구력 ) IV. 줄기세포의임상효과 ( 효과 / 기작 ) V. 역분화줄기세포연구현황과전망 ( 신약개발 / 임상예상 ) VI. 미래전략
줄기세포란?
세계는지금줄기세포전쟁중! February 22, 2008: 132 (4) "Special Review Issue Stem Cells"
줄기세포의특성 Self-renewal Differentiation into multi-lineaged cells 혈액질환 퇴행성신경계질환 당뇨병및내분비계질환
줄기세포연구의적용분야 Regenerative Medicine ( 재생의학 ) Study of Disease Mechanism ( 질병기작연구 ) Drug/Toxin Screening ( 신약개발 ) Study of Cancer ( 암연구 ) Study of Developmental Biology ( 발생학연구 )
배아및성체줄기세포 EMBRYONIC Stem Cells SOMATIC ( ADULT ) Stem Cells Inner cell mass PLURIPOTENT Stem Cells ( ICM Culture ) MULTIPOTENT Stem Cells ( Cord blood, Marrow )
역분화줄기세포 (ips Cells) - SCNT (Somatic Cell Nuclear Transfer, 복제배아줄기세포 ) - Dedifferentiation ; ips Cells ( 역분화줄기세포 ) Embryonic Stem Cells via IVF (in vitro fertilization, 수정란배아줄기세포 ) Cell 126, 663 676, August 25, 2006
국내외동향 ( 국외동향 / 국내동향 )
요 약 연구비규모 : 선진국및타연구분야대비소규모 - 09 년정부투자는 406 억원, 10 년정부투자는 533 억원 ( 11 년예상액 601 억원 ) 으로미국의 1/30, 일본 1/5 이하 정부 BT R&D 중줄기세포분야투자비중 : 약 3% 정도 - 줄기세포신기술분야투자선진국대비매우저조 10 년역분화연구비 : 국내 30 억원, 일본교토대 Yamanaka 연구팀약 600 억원 - 2012 년, 약 1004 억원으로증액발표
해외동향 (I)- 투자및정책측면 미국, 일본등선진국, 정부차원의줄기세포분야공격적투자확대 국가명미국 EU 일본 정부지원 국립보건원 : 매년 12.9 억달러이상 ( 10 년 ) - 캘리포니아주 : 05 년부터 10 년간 30 억달러지원 배아줄기세포연구연방지원 2.5 억달러 줄기세포공동연구 : 약 5 천만유로 영국 UK stem cell initiative : 10 년간약 6~8 억파운드투자 독일역분화연구대폭증가 (500 만 1,000 만유로 ) 범정부차원의재생의료분야적극지원 ( 09 년 109 억엔신청 ) 유도만능줄기세포 (ips) 분야에만 09 년예산약 145 억엔 최근세계각국줄기세포연구규제완화추세 - 미국오바마대통령신규배아줄기세포연구연방정부규제폐지 ( 09.3) - 일본배아줄기세포연구규제완화및인간체세포복제줄기세포연구허용 ( 09.5)
해외동향 (II)- 시장및산업측면 세계시장연평균 24% 이상고속성장예상 ( 05 년 $69 억 12 년 $324 억 ) - 줄기세포타입별로는 12 년성체줄기세포 $180 억 (55.7%), 제대혈줄기세포 $93 억 (28.6%) 배아줄기세포 $51 억 (15.7%) 형성예측 줄기세포제품화및임상경쟁치열 - 맞춤형세포치료제, 신약, 생체조직등줄기세포제품화연구진행 - 미국, 영국등성체및배아줄기세포를이용세포치료제임상시험추진 미국 : 제론 ( 척수손상 ), 박스터 ( 심장병 ), Adv. Cell Tech.( 황반변성증 ) 임상시험중 영국 : 리뉴런 ( 신경재생 ) 과헤어필드병원 ( 심장재생 ) 은배아줄기세포를이용한조직및장기재생임상시험계획 글로벌대형제약회사줄기세포연구사업적극진출 - GSK, AstraZeneca, Roche 공동 Stem Cells for Safer Medicines 설립 - 머크社줄기세포이용신약개발을위해세레노인수계획발표, 존슨앤존슨줄기세포전문회사노보셀투자등
해외동향 (III)- 하버드대줄기세포연구소 2004 년설립 Director : Douglas A.Melton, Ph.D Harvard Univ. David T. Scadden, M.D.Mass. General Hospital Principal faculty (79) + Affiliated Faculty (157) Scientists : >900 Publications : >400 (7/2009~6/2010) Core Facilities Human Embryonic Stem Cell Facility HSCI and BIDMC Flow Cytometry Core Facility HSCI and Joslin Flow Cytometry Core Facility HSCI and MGH Flow Cytometry Core Facility ips Core Facility Therapeutic Screening Center Genome Modification Facility 2010 년예산 : $18.6 million ( 약 200 억 ) ( 약 80% 연구비 / 기부금, 약 20% 대학지원 )
해외동향 (IV)- 하버드대줄기세포및재생생물학과 2007 년 4 월설립 (Faculty 18 명 ) 2009 년대학원과정설립 Developmental and Regenerative Biology (DRB) (Faculty 88 명 ) 연구분야 - Aging and Stem Cells - Cardiovascular Development and Metabolic Disease - Directed Differentiation - Epigenetics - Hematopoietic Development and Disease - Kidney Development and Repair - Nervous System Development and Disease - Nuclear Reprogramming - Pancreas Development and Diabetes
국내동향 (I)- 투자및정책측면 연구비투자규모, 선진국및타연구분야대비절대적소규모 - 09 년정부투자는 406 억원, 10 년정부투자는 533 억원으로미국의 1/30, 일본 1/5 수준이하 정부 BT R&D 중줄기세포분야투자비중 : 3.8%( 08 년 ) 3.4%( 09 년 ) - 줄기세포신기술분야투자선진국대비매우저조 10 년역분화연구비 : 국내 30 억원, 일본교토대 Yamanaka 연구팀약 600 억원 <2010 년각부처별분야별줄기세포연구투자실적 > ( 단위 : 억원 ) 123 억원 107 억원 96 억원 84 억원 45 억원 28 억원 16 억원 15 억원 2 억원 14 억원 교육과학기술부농림수산식품부지식경제부보건복지부
국내동향 (II)- 시장및산업측면 성체줄기세포유래세포치료제개발로산업적성과가시화 - 최근벤처기업을중심으로성체줄기세포유래세포치료제에대한임상시험진행중 세계최초심근경색치료제허가 ( 에프씨비파미셀 ) 세원셀론텍 ( 골절부위골형성치료제 ) 에프씨비파미셀 ( 급성뇌경색 ) 알앤엘바이오 ( 버거씨병 ) 아이오셀 ( 심부전증 ) 등 자가유래체세포를이용한세포치료제제품화가속화 - 주요생산및개발품목은뼈, 연골, 피부, 면역세포가대부분 세원셀론텍 ( 콘드론 : 연골이식및재생 ) 이노셀 ( 이뮨셀 LC : 간암 ) 엠씨티티 ( 케라힐 : 피부화상치료 ) 크레아젠 ( 크레아박스 - 알씨씨 : 전이성세포암 ) 등
우리나라의경쟁력 ( 연구비 / 연구력 )
연도별연구비 연구비 ( 억원 ) 년도
연구력 ( 논문 ) < 주요국가별 / 분야별논문건수 > 순위 성체배아역분화교차분화 국가명논문수국가명논문수국가명논문수국가명논문수 1 USA 22942 USA 5680 USA 906 USA 468 2 JAPAN 6721 JAPAN 1609 JAPAN 277 JAPAN 171 3 GERMANY 5507 GERMANY 1202 PEOPLES R CHINA 184 GERMANY 153 4 PEOPLES R CHINA 4686 ENGLAND 1111 GERMANY 181 PEOPLES R CHINA 136 5 ENGLAND 3512 6 ITALY 3269 PEOPLES R CHINA CANADA 986 ENGLAND 141 ITALY 77 651 SPAIN 86 ENGLAND 69 7 FRANCE 2808 SOUTH KOREA 8 CANADA 2490 FRANCE 515 9 SOUTH KOREA 분야별논문사이에는동일한논문이중복되어있을수있음 521 FRANCE 76 FRANCE 65 SOUTH KOREA 2199 ITALY 395 CANADA 62 71 CANADA 64 SOUTH KOREA 10 NETHERLANDS 1658 AUSTRALIA 380 ITALY 53 SPAIN 38 분석기준 : 2001 년이후최근 (2011 년 10 월 10 일기준 ) 까지 SCI 저널에발표된문서형태 Article 을대상으로분야별검색식을설정하여검색함 54
연구력 ( 특허 ) < 주요국가별특허출원및등록현황 > EP, WO 로표기된경우, 우선권주장대상특허가다국적연합특허기구인 EP( 유럽특허청 ) 혹은 WO( 세계특허청 ) 에출원된특허를말함 분석기준 : 2001 년이후최근 (2011 년 10 월 10 일기준 ) 까지미국 / 유럽공개및등록, PCT/ 일본영문공개특허를대상으로분야별검색식을설정하여검색함
줄기세포의임상효과 ( 효과 / 기작 )
세계임상시험현황 (http://clinicaltrial.gov) Key Word All Industry Stem Cell 3,027 637 Cell Therapy 17,549 5,828 Cell Therapy Product 473 225
한국세포치료제현황 Cell Therapy Products approved in Korea # of Products ( 품목수 ) # of Companies ( 업체수 ) Ordinary Cells ( 일반세포 ) Immunocytes ( 면역세포 ) Stem Cells ( 줄기세포 ) Conditional Approval of Phase III (3 상조건부 ) Minimal Manipulation ( 최소조작 ) 16 11 11 4 1 10 2 Cell Therapy Products under clinical trials in Korea # of Approvals ( 승인수 ) # of Companies ( 업체수 ) Somatic Cells ( 체세포 ) Immunocytes ( 면역세포 ) Stem Cells ( 줄기세포 ) ESC-derived ( 배아줄기유래 ) Completed ( 종료 ) Ongoing ( 진행중 ) 61 23 17 21 22 1 27 34
임상시험 ( 세포응용연구사업단 ) 임상시험제목 시작시기 종료 ( 예상시기 ) patients (2010) 중증주산기저산소성허혈성뇌손상환자에서동종인간신경줄기세포이식에의한세포치료법확립 (Brain injury ; neonatal ischemic encephalopathy) 척수손상환자에서동종인간신경줄기세포이식에의한세포치료법확립 (Spinal cord injury) 2006. 3 2012. 2 50 2006. 3 2012. 3 23 심근경색환자에서의 G-CSF 를이용한심근재생치료에대한무작위연구 (MAGIC Cell-3-DES, 4-ICMP) (Myocardial infarction) 2003. 3. 장기추적관찰진행중 178 심근경색환자에서의 G-CSF 를이용한심근재생치료에대한무작위연구 (MAGIC Cell-1,2) (Myocardial infarction) 2004. 1 장기추적관찰진행중 37 심근경색환자에서의 G-CSF/Darbepoetin 병합투여에의해동원된말초혈액줄기세포를이용한심근재생치료에대한전향적, 무작위배정, 부분 2 중맹검연구 (Myocardial infarction) 2007. 4 장기추적관찰진행중 115 다계통위축증환자를대상으로한자가유래중간엽줄기세포의이중맹검, 무작위배정, 위약 - 대조임상시험 (Multiple system atrophy) 2008. 4 2012. 3 26 계 429 명
심혈관질환 응급혈관성형술 + 줄기세포이식 줄기세포치료에의해심장수축기기능 5~10% 향상 ( 심근경색 ) Baseline 6 months after cell infusion 응급혈관성형술 Baseline 6 months after PCI Data From Park Y B (SCRC)
신경계질환 Development of Fundamental Technology for Clinical Applications in Nervous System Disease ( 신경계임상원천기술개발 ): 중증뇌성마비와척수손상및다계통위축증에대한체계적이고과학적인임상세포치료원천기술개발 - 중증신생아저산소성허혈성뇌손상, 척수손상환자에인간신경줄기세포유래의분화세포를이용 ; 유사파킨슨증후군인다계통위축증환자를대상으로자가유래중간엽줄기세포의이중맹검, 무작위배정, 위약대조임상시험실시, 일부환자에서대조군에비해임상효과보임 신경줄기세포이식을통한척수손상치료 Data From Park K I and Lee P H (SCRC)
현세포치료제의한계 (1 세대세포치료제 ) 1. 성체줄기세포 : 주로안전성에주안점, 치료효과낮다 ( 주로간접효과 ) 2. 배아줄기세포 : 분화기간이너무길다, 세포주마다분화경향다르다 제2세대세포치료제 : 안전하면서도강력해야 ( 간접 + 직접효과 ) ( 효능강한세포개발, 복합치료, 이식환경의이해, 조직공학등.)
2 세대세포치료제개발 ( 예 ) ( 예 : 보편적 고효율신경세포분화법개발 ) hecs/ipsc Day0 (Step 1) Universal Neural Cells 보편적신경전구체 Day8 (Step 2) Directing Fates of Desired Neuronal and Glial Cells 원하는신경세포및교세포로운명결정 Day15 2 개세포신호전달의조절 ( 저분자물질사용 ) 세포분리법
1 단계 : 보편적, 고효율신경분화 인간배아줄기세포주 1 인간배아줄기세포주 2 By well-known neural differentiation protocol 인간배아줄기세포주 3 인간역분화줄기세포 인간역분화줄기세포 0 20 40 60 80 100 Efficiency of neural rosette formation (%) 인간배아줄기세포주 1 인간배아줄기세포주 2 인간배아줄기세포주3 인간역분화줄기세포주1 인간역분화줄기세포주2 0% 20% 40% 60% 80% 100% Simultaneous inhibition of Activin/Nodal (SB431542) and BMP signals (Dorsomorphin) augmented neural differentiation from human pluripotent stem cells
2 단계 : 순수분리 보편적신경전구세포 특정표면항체 원하는특정신경 ( 전구 ) 세포만을선택적으로분리 POSITIVE CELL NEGATIVE CELL 분리된특정신경세포만을유지배양하기적합한배양조건의수립
3 단계 : 미분화세포제거 ( 테라토마방지 ) Inhibitor S induce apoptosis of hescs Inhibitor S No effect Apoptosis Differentiated Cells ESCs H9 ESCs 24h DMSO control H9 ESCs 24h Inhibitor S 1µM
순도높은신경세포
높은수율도파민신경세포 Tuj1 TH Merged ipsc2 ipsc1 hesc
고순도희소돌기아교세포전구체 A2B5 / DAPI 희소돌기교세포 (%) 100 50 0 세포분리전 세포분리후 NG2//DAPI PDGFRa//DAPI
척수손상모델에적용
뇌졸증모델에적용 Beam balance test following pmcao 균형이안좋음 6 5 4 3 2 Easy 빔위에서 falling posture 균형점수 score PSA-NACM 신경세포이식 PBS 대조군 MSC 성체줄기세포이식 뇌졸증모델 신경세포이식 1 0 균형이좋음 base 1 5 9 15 19 26 ( 수술전 ) 세포 Days 이식 after 후 pmcao 날짜
파킨슨모델에적용 PD model PD model + Transplantation
파킨슨병 : Muhammad Ali
국제표준화프로토콜로채택 International Stem Cell Forum (ISCF) (September, 2010) 국내배아줄기세포분화방법, 국제줄기세포표준화프로토콜로채택 등 22 개일간지, 4 개방송에보도
역분화줄기세포연구현황과전망 ( 신약개발 / 임상예상 )
배아줄기세포 vs. 역분화줄기세포 ES cells vs. ips cells: Natural vs. Artificial!! - 얼마나유사한가? -- 세포특성 : 아주유사하지만같지는않다 --ips cell 제작법 : 아직바이러스, 유전자에대개의존 -- 당분간 ips cell 연구 : 질병기작 / 신약개발 -- 향후 ips cell 연구 : 세포치료제로본격활용
ips Cells : 질병모델 & 신약개발 X-linked adrenoleukodystrophy (X-ALD) ( 부신백질이영양증 ) 1992
질병특이적역분화줄기세포 섬유아세포 역분화세포 파킨슨병 PD-iPSC 알츠하이머병 AD-iPSC 소아형당뇨병 JDM-iPSC 뒤센형근이영양증 DMD-iPSC 소아대뇌형부신백질이영양증 CCALD-iPSC 부신척수신경병형부신백질이영양증 AMN-iPSC 정상인 WT-iPSC
배아및역분화줄기세포은행 ( 세포응용연구사업단 ) http://koreastemcellbank.org/ Characterization of hes / ips cell lines - 3 Institutes - 53 hes cell lines ( 인간배아줄기세포 ) - 50 ips cell lines ( 역분화줄기세포 ) Distribution of hes/ips cell lines ( 세포주분양 : 10년간약 325기관 ) - 300,416 colonies distributed for 325 research laboratories Technical development of cryopreservation & culture of hes cell lines
부신백질이영양증 (X-ALD) Incidence ( 발생빈도 ) -> panethnic -> 1:20,000 (male) : 2 만명당 1 명 -> 1:17,000 for hemi & heterozygotes X-linked monogenic inheritance -> Xq28, ABCD1 for ALD protein (ABCD1 유전자변이 ) 24 Biochemical abnormality -> very long chain fatty acids (VLCFAs) ( 긴사슬지방산축적 )
ABCD1 ( 유전자변이 ) ABCD2 ( 보완유전자 ) ABCD3 ABCD4
여러타입의 X-ALD CCALD AMN Moser, NCPN 2007
CCALD and AMN-iPS Cells A B CCALD-iPSC AMN-iPSC CCALD-fibroblast CCALD-iPSC-10 Alkaline Phosphatase NANOG AMN-fibroblast TRA1-60 AMN-iPSC-3 DAPI Alkaline Phosphatase C CCALD a Ectoderm Endoderm Mesoderm AMN NANOG TRA1-60 DAPI Epithelium Gut Cartilage D CCALD-iPSC AMN-iPSC CCALD-iPSC-10 OCT4 SOX2 NANOG NANOG OCT4 SOX2 AMN-iPSC-3 OCT4 SOX2 NANOG NANOG OCT4 SOX2 CCALD-fibroblast H9-hESC AMN-fibroblast H9-hESC
CCALD and AMN-iPS Cell 로부터신경세포분화
CCALD and AMN-iPS Cell 로부터희소돌기아교세포분화 A WT-OPC CCALD-OPC AMN-OPC PDGF-R / DAPI A2B5 / DAPI B MBP / DAPI WT-OL CCALD-OL AMN-OL
VLCFA 축적 : Toxic 0.16 ** ( 긴사슬지방산) C26:0/C22:0 ratio 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 * * * ** 0.04 0.02 0.00 ( 신경세포 ) ( 올리고덴드로사이트 )
Lovastatin 처리로 VLCFA 감소 0.14 0.12 ** ( 긴사슬지방산) C26:0/C22:0 ratio 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 (CCALD 환자유래역분화세포 올리고덴드로사이트로분화 )
ABCD2 대체유전자발현증가 ( 신약개발 ) 4 ** ** * ABCD2 relative expression 3 2 1 * 0
역분화줄기세포의임상시험예정 - 임상계획 : 일본에서 2013 년정도임상시작예정이라함 (RPE Cells : Retinal Pigment Epithelial Cells) - Retina Institute Japan (+Riken CDB), 현재 FDA, EMA, PMDA 와 preclinical trial 을상의중 - CiRA, Kyoto Univ (Parkinson s Disease 임상계획중 )
미래전략
SWOT 분석 강점 (Strengths) 약점 (Weaknesses) 범정부차원의줄기세포연구육성을위한강력한의지줄기세포주요기반기술및기술역량축적 IT 등첨단기술과의융합분야경쟁력우수국민의폭넓은줄기세포이해및관심도 선진국대비연구비규모절대부족기초및임상연구의인력및기술연계지원프로그램부족줄기세포임상 / 산업인프라부족체세포복제배아연구등에대한사회적합의미흡 기회 (Opportunities) 위협 (Threats) 기술개발의국제적태동기창의 융합연구분야로원천기술확보가능미래유망성장동력으로서재생의료산업기반구축다양한활용범위에따른매우높은미래시장잠재력많은젊은과학자들 선진국의줄기세포연구적극적투자및규제완화 경쟁국의일부원천기술에대한지적재산권선점 줄기세포기술에대한글로벌제약회사사업진출
미래전략 차세대세포치료제개발 선진국형연구 선택과집중 기존인프라의활용극대화 + 새로운인프라 ( 줄기세포은행 ) 국제공동연구 : 아시아역분화줄기세포은행, 기타
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