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쥐 줄기세포에서 모낭 갖춘 피부 배양 성공…탈모 치료 새 가능성 열려


▲ 출처=셔터스톡

미국 연구팀이 세계 최초로 모낭이 있어 머리카락이 자랄 수 있는 인공피부를 쥐 줄기세포에서 배양하는 데 성공했다. 이에 따라 탈모 치료에 새로운 길이 열릴 것으로 기대된다. 

미국 인디애나대학 의대 이비인후과-두경부외과 조교수인 칼 쾰러 박사 연구팀은 학술지 ‘셀 리포트’(Cell Reports)에 최근 게재한 논문에서 쥐의 내이(內耳) 줄기세포를 채취해 모발이 자라는데 필수인 모낭까지 갖춘 인공 피부를 배양해 오가노이드(organoid)로 만드는 데 성공했다고 밝혔다. 오가노이드는 줄기세포에서 분리한 세포를 3차원 배양법으로 재생산한 세포 집합체로, 인체 기관과 유사한 특성을 지녀 ‘미니 장기’ 또는 ‘유사 장기’로 일컬어진다. 

지금까지 실험실 배양을 통해 모낭 세포까지 배양에 성공한 경우는 없었다. 이번이 사상 첫 성공이다. 모낭은 진피 내의 좁은 구멍처럼 생긴 주머니로 모발의 뿌리인 모근을 보호하는 역할을 한다. 모낭은 표피와 진피의 상호 작용 속에서 형성되며, 모발은 모낭 속에서 성장과 퇴화를 반복한다. 이번 배양 성공을 토대로 모발이 자라는 과정을 더 잘 이해할 수 있게 돼 탈모 문제를 극복하는 데 큰 도움이 될 것으로 보인다. 또한 실제 피부에 매우 가까운 인공 피부라 약물을 시험하거나 동물실험을 대체하는 용도로 활용될 수 있을 것이라고 ‘유레카 얼러트’(Eureka Alert)가 보도했다.

쾰러 박사는 육안으로 오가노이드를 관찰했으며, 오가노이드가 마치 배지(culture medium) 안에서 떠다니는 작은 보풀 덩어리처럼 보였다고 설명했다. 이 오가노이드는 마치 민들레 씨앗처럼 3차원 구 모양으로 자라났으며, 모낭은 모든 방향으로 안에서 밖으로 성장했다. 연구팀은 오가노이드의 표면에서 자라나는 모발의 정확한 유형을 확인하지 못했지만, 실험 쥐에서 자연적으로 발견된 것과 같이 다양한 유형의 모발이 인공 피부에서 자랄 것으로 보고 있다.

쾰러 박사는 쥐의 만능줄기세포를 처음으로 사용하기 시작한 이 분야의 선구적 인물이다. 만능줄기세포는 모든 세포와 조직으로 분화하여 오가노이드를 만들 수 있다. 쾰러 박사 연구팀은 쥐의 내이에서 만능줄기세포를 채취한 뒤 배양해 오가노이드를 만드는 과정에서 단일 줄기세포가 진피 세포 3~4종과 표피 세포 4종으로 분화하며 모낭까지 형성함을 확인했다. 연구팀은 이번에 이처럼 다양한 조합 덕분에 이전 실험 배양에 비해 쥐의 피부 조직에 한층 가깝게 재현해냈다고 밝혔다. 피부는 20종 이상의 세포가 여러 층으로 배열돼 있는 복잡한 구조라 이전 실험 배양은 모낭을 형성시키지 못하고 일부 세포만 재현하는 데 그쳤다.

연구팀은 모낭이 형성되기 위해서는 피부의 진피와 표피가 특정한 방식으로 함께 성장해야 한다는 것을 발견했다. 쾰러 박사는 표피가 배지에서 자랄 때 포자(cyst)의 둥근 모양을 띤 다음, 진피세포가 그 주위를 감싸며 함께 성장한다고 설명했다. 이 과정이 방해를 받으면 모낭은 형성되지 않았다. 연구팀은 줄기세포가 분화해 오가노이드를 이룬 뒤에 형태가 파괴되어 다시 발생 과정을 거치게 만들면 모낭이 만들어지지 않는다는 사실을 확인했다. 이를 토대로 쾰러 박사는 모낭을 갖춘 인공 피부가 제대로 만들어지기 위해서는 줄기세포로부터 피부가 형성되는 초창기 과정이 매우 중요하다고 강조했다.

실험실 배양을 통해 모낭 세포를 배양해내는데 성공한 이후 다음 단계는 체외에서 모발 성장 연구를 가로막는 또 다른 장애물을 극복하는 일이다. 바로 물리적 한계로 인해 모발이 빠지고 다시 날 수 없다는 점이다. 모발은 모낭 속에서 성장과 퇴화를 반복한다. 연구팀은 배지라는 인공적인 환경에서 모낭이 모발의 성장과 퇴화를 가능하게 해 줄 방법을 알아낼 수 있다면 이 오가노이드가 의학 및 독성학에 매우 중요한 영향을 미칠 것으로 믿고 있다. 쾰러 박사는 “이 오가노이드는 약물을 시험하거나 피부암 등의 발생 과정을 연구할 때 최적의 모델로 사용될 수 있으며, 동물실험을 대체하는 용도로도 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

한편 국내 연구팀이 탈모를 일으키는 원인 단백질을 찾아내 새로운 탈모 치료제 후보 물질을 개발 중이다. 최강열 연세대학교 생명공학과 교수 연구팀이 CXXC5 단백질이 디셰벌드(Dishevelled)라는 또 다른 단백질과 결합해 탈모를 유발하는 것을 확인하고, 두 단백질의 결합을 막는 생화학물질 'PTD-DBM'을 만들어 쥐 실험을 통해 그 효능을 확인했다고 ‘뉴스위크’(Newsweek)가 보도했다. 

연구팀은 실험용 생쥐와 사람의 모유두세포(모낭 중심에 있는 세포)를 이용해 실험을 진행한 결과 세포 밖 신호를 세포 안으로 전달하는 디셰벌드 단백질에 CXXC5 단백질이 결합하면 신호전달체계의 기능이 떨어져 머리카락 형성을 방해한다는 사실을 알아냈다. 이에 연구팀은 CXXC5처럼 디셰벌드 단백질에 결합하는 PTD-DBM라는 펩타이드를 탈모 쥐의 피부에 28일 동안 바른 뒤 모낭이 건강해지고 모발이 다시 자라는 것을 확인했다. PTD-DBM이 CXXC5 단백질 대신 디셰벌드 단백질에 붙어 CXXC5의 작용을 억제하는 원리다. 여기에 발프로산(valproic acid)을 주입해 발모 효과를 높였다.


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