대한소아소화기영양학회지 : 제 14 권부록 1 호 2011 http://dx.doi.org/10.5223/kjpgn.2011.14.suppl1.s42 종설 소아소화기질환에서줄기세포 : Hirschsprung 병 건국대학교의학전문대학원소아과학교실 배선환 Stem Cell in Pediatric Gastrointestinal Tract Disease: Hirschsprung Disease Sun Hwan Bae, M.D., Ph.D. Department of Pediatrics, Konkuk University School of Medicine, Seoul, Korea. Stem cell is characterized with self-renewal and mult-potency. Many pediatric gastrointestinal diseases have defect in enterocytes, enteric nervous system, and Interstitial cell of Cajal. Various kinds of stem cell could be applied to these diseases. Here, the author introduces stem cell for pediatric gastrointestinal diseases, particularly Hirschsprung disease. (Korean J Pediatr Gastroenterol Nutr 2011; 14(Suppl 1): S42 S46) Key Words: Stem cell, Hirschsprung disease 줄기세포 (stem cell) 를이용한새로운치료법의도입은의학의여러분야에서새로운문을열고있다. 신경세포재생, 골 / 연골세포재생, 피부세포재생및골수세포재생을이용한치료법은이미실용화되어환자치료에사용되고있다. 소화기질환에서줄기세포를이용한치료법의발전은다소늦은감이있으나, 현재빠른속도로발전하고있다. 이번글에서는줄기세포를소개하고이용한 Hirschsprung병의치료에대하여소개하고자한다. 줄기세포란원시상태 (primitive) 이거나상대적으로덜분화된 (unspecialized) 태아또는성체조직의세포로자 접수 :2011 년 12 월 24 일, 수정 :2011 년 12 월 29 일, 승인 :2011 년 12 월 29 일책임저자 : 배선환, 143-729, 서울시광진구화양동 4-12 건국대학교의학전문대학원소아과학교실 Tel: 02-2030-7554, Fax: 02-2030-7749 E-mail: baedori@hanafos.com 신을스스로복제하는능력 (self-renewal) 과조직의모든세포로분화 (multipotency) 할수있는능력을갖고있는세포로정의할수있다 1,2). 줄기세포는세포의기원, 세포분열상태, 기관 (organ), 및물리적특성등에따라분류할수있다. 세포의기원에따르면 embryonic SC (ESC), induced pluripotent SC (IPSC), mesenchymal SC (MSC), tissue SC (TSC) 등으로분류할수있다. 배아줄기세포 (embryonic stem cell) 는다능성세포 (pluripotent) 로배세포 (blasocyte) 에서얻을수있으며, 외ㆍ중ㆍ내배엽 (ecto/meso/endoderm) 조직으로분화할수있다. 윤리적문제로현재연구에제약을받고있으며, 면역반응을유도할수있을것으로생각된다. IPSC는다능성세포 (pluripotent cell) 로체세포 (somatic cell) 에서얻을수있으며, 외ㆍ중ㆍ내배엽조직으로분화할수있다. 환자에게적합한특별한세포를얻을수있으며, 이경우면 S42
배선환 : 소아소화기질환에서줄기세포 : Hirschsprung 병ㆍ S43 역반응을조절하기위한면역억제가필요하지않다. 중간엽줄기세포 (mesenchymal stem cell) 는 multipotent cell 로뼈, 골수, 지방조직등에서얻을수있으며, 중배엽조직으로분화할수있으며, 외배엽, 내배엽조직으로도분화가능한것으로여겨지고있다. 면역반응을유발하지않는것으로여겨지고있으며, 항염작용을지니고있어이를이용한질병치료도시도되고있다. 조직줄기세포는 multipotent cell로성체조직에서얻어지며, 해당조직계열세포 (tissue restricted lineage only) 로만분화할수있다. 환자에게적합한특별한세포를얻을수있으며, 이경우면역억제가필요하지않다 1,3). 세포분열상태를기준으로줄기세포는상대적으로세포분열횟수가많지않고조용한상태를유지하는휴식기줄기세포 (quiescent stem cell, 보기 +4 cells) 와상대적으로활발하게세포분열을하는활동기줄기세포 (active stem cell, 보기 CBCs) 로나눌수있다. 휴식기줄기세포는주로비대칭분열을하여자신의특징을지키는휴식기세포및활동기줄기세포로변화할줄기세포로분열하여줄기세포속성을유지한다. 활동기줄기세포는주로대칭성분열을하여새로운세포들이필요한요구에부응한다. +4 cell과 CBC는서로전환이가능한것 (interconversion) 이최근증명되었으며, 이는조직이나기관의요구에따라조절되는것으로생각된다 4,5). 최근연구에서호산성과립세포 (paneth cell) 가활동기줄기세포의수를조절하는데관여하는것이입증되었다 6). 기관에따른분류를하면장관줄기세포 ( 소장및대장 ), 식도줄기세포, 위줄기세포, 간줄기세포, 췌장줄기세포등으로구분할수있다. 다양한줄기세포의획득은조직및기관의재생이라는측면에서여러가지장점을갖고있지만종양발생이라는반대급부도있음을인식해야한다 7). 줄기세포를인식하는방법은크게 3가지로나눌수있다. 첫번째는표식자 (reporter gene) 를갖는줄기세포를이식하여상당기간관찰하여이세포로부터목적하는조직의모든세포들까지분화하여가는것을입증하는방법으로 lineage tracing방법으로불리며가장확실하게줄기세포를확인하는방법이다 (Fig. 1) 8). 두번째는줄기세포가갖고있는특정분자나단백 (marker molecule) 을확인하는방법으로면역조직염색법등을이용한다. 예로 OCT4, Nanog, SOX2, SSEA4 등은인간 배아줄기세포의지시자 (marker) 로사용되며소장의 CBCs (crypt base columnar cells) 는 Lgr5, OLFM4, Ascl2, Msi1 등의지시자를갖고있으며, LRCs (label retaining cells) 는 BMI 1, DCAMKL1, mtert, BmpR1a 등의지시자를갖고있다 9). 이들지시자를이용하면실험실에서유용하게사용된다. 다음으로는줄기세포의물리적특징을이용하는것이며, 중간엽줄기세포정의에플라스틱에잘들러붙는성질을포함하는것이나 3), 줄기세포의경우분화하지않는상태에서둥근모양을유지하는것등을말한다. 소화기분야에서줄기세포의사용은크게 3가지로요약할수있는바, 줄기세포기능 (stem cell activity) 을통해여러세포로분화하면서조직기능을원상복구시키는것이다 (restore tissue function). 줄기세포는간세포, 장세포, 심장세포, 골세포, 지방세포등으로분화할수있으며, 이를이용하여간부전, 심부전, 장부전등에서줄기세포치료를이용할수있다. 두번째는줄기세포가갖는주변분비기능 (paracrine function) 을이용하여조직치유 (tissue repair) 를촉진하는것이다. 줄기세포는 VEGF, IGF-1, EGF 등성장인자를분비하여조직치유를촉진할수있다 10). 세번째, 중간엽줄기세포는면역기능을조절하는동시에염증반응을억제하는기능을갖고있으며, 이미염증성장질환 (IBD) 에서치료가시 Fig. 1. Lineage tracing in the small intestine confirms intestinal stem cells. In this case, LacZ activity was used as a reporter gene 8).
S44 ㆍ대한소아소화기영양학회지 : 제 14 권부록 1 호 2011 Fig. 2. Neurons from transplanted neurospheres regulate the contractility of developing gut. EMNS and NHNS transplanted bowel have comparable contraction frequencies to ganglionic distal colon, but have significantly lower contraction frequencies than aganglionic distal colon, demonstrating a functional effect of neurosphere transplantation 18). EMNS: aganglionic distal colon transplanted with embryonic mouse neurosphere, NHNS: aganglionic distal colon transplanted with neonatal human neurosphere, TTX: tetrodotoxin.
배선환 : 소아소화기질환에서줄기세포 : Hirschsprung 병ㆍ S45 도되었다. 줄기세포는 PGE2, TGF-beta, IL-10을통하여면역반응을조절하며, 조절 T 세포에직ㆍ간접적으로관여하고선천면역과적응면역에관여하여염증반응을억제한다 11). 실제로소화기영역에서얻어진줄기세포치료의결과는간부전에서중간엽줄기세포를이용하여치료한경우 12), 만성염증성장질환에서중간엽줄기세포를이용하여관해를유도한경우 13), 조직줄기세포를이용하여 Hirschsprung병치료등을시도한경우등이보고되어있다. 소화관에서줄기세포를이용한세포수준의재생을목표로할때장세포 (gastric epithelial cell, enterocyte, colonocyte), 장신경세포 (enteric neuron), 장 ICC (interstitial cell of Cajal) 의재생이우선적으로실제화될것으로전망된다. 필자의경험으로생쥐 (mouse) 에서배아줄기세포를국소적으로또는전신적으로투여하여위상피세포를재생할수있었다. 이러한결과는향후단장증후군등의치료에서의미있게이용될수있을것이다. 장신경세포의재생측면에서소아소화기질환가운데가장주목받고있는질환은 Hirschsprung병이다. 주지하는바와같이 Hirschsprung병은대장발달도중신경능선 (neural crest) 에서출발한신경줄기세포 (neural crest cell) 들이목적지에도달하지못하여부교감신경절세포가형성되지않는질환이다 14). 현재장신경줄기세포를얻을수있는근원으로는배세포, IPSC, 태아뇌에서얻은신경줄기세포, 태아비뇌기원신경줄기세포 ( 예 : neural crest stem cell, enteric neural stem cell), 성체조직 ( 신생아 / 소아 / 성인장 ) 에서얻어지는장신경줄기세포가있다. 이가운데윤리적문제나면역억제문제를해결할수있는성체조직장신경줄기세포가현재가장관심을받고있다. 성체장조직을얻어여기에서 Neurosphere ( 줄기세포와이것으로부터분화된초기세포형태들의덩어리 ) 를분리하여이를증식시켜신경줄기세포를확보하게되는데 15,16), 점막조직과전층장조직을모두사용할수있으며, 최근상부위장관내시경을이용하여채취한장점막조직에서 Neurosphere를배양해냄으로써장신경줄기세포를이용한장신경재생에획기적진보를이루었다 17). 이후배양된 Neurosphere에서신경세포, 신경아교세포 (glial cell), 민무늬근육 (smooth muscle) 등이분화되는것이증명되었으며 15 17), 이들신경이 Hirschsprung병조직에서정상적으로시냅스를형성하고, 정상적으로근수축 을수행할수있음을입증하였다 (Fig. 2) 18). 현재 Hirschsprung병에서실제적으로장신경줄기세포를이용한치료를적용하는데있어서는아직몇가지해결해야할문제점이있을것으로생각된다. 첫째, 적절한 Neurosphere를배양해낼조건들에대한보편적프로토콜이정립되어져야할것으로생각된다. 둘째, 소장또는대장질환치료시 Neurosphere 출처에대한차이가치료결과에미치는영향에대한평가가필요할것으로생각된다. 세번째, 치료시필요한적절한 Neurosphere 수에대한결과들이제시되어져야할것으로생각된다. 네번째, 질환침범정도에따라가장합리적인투여경로에대한모색이있어야할것으로생각된다. 다섯번째, Neurosphere가대장조직에안착하여정상조직으로분화하는과정을돕거나촉진할수있는요인들에대한평가가필요할것으로생각된다. 여섯번째, Neurosphere 이식후이에대한모니터링과평가에대한보편적프로토콜이정립되어져야할것으로생각된다. 참고문헌 1) Quante M, Wang TC. Stem cell in gastroenterology and hepatology. Nat Rev Gastroenterol Hepatol 2009;6:724-37. 2) Mills JC, Shivdasani RA. Gastric epitheilial stem cell. Gastroenterol 2011;140:412-24. 3) Malgieri A, Kantzari E, Patrizi MP, Gambardella S. Bone marrow and umbilical cord blood human mesenchymal stem cells: state of the art. Int J Clin Exp Med 2010;3: 248-69. 4) Baker N, De Wetering MV, Clvers H. The intestinal stem cell. Gen Dev 2008;22:1856-64. 5) Takeda N, Jain R, LeBoeuf MR, Wang Q, Lu MM, Epstein JA. Interconversion between intestinal stem cell populations in distinct niches. Science 2011;334:1420-24. 6) Sato T, Van Es JH, Snippert HJ, Stange DE, Vries RG, van den Born M, et al. Paneth cells constitute the niche for Lgr5 stem cells in the intestinal crypts. Nature 2011;469:415-8. 7) Kelly PN, Dakic A, Adams M, Nutt SL, Strasser A. Tumor growth need not be driven by rare cancer stem cell. Science 2007;317:337. 8) Snippert H, Van Es JV, van den Born M, Begthel H, Stange DE, barker N, et al. promin-1/cd133 marks stem cells and early progenitors in mouse small intestine.
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