줄기세포 기반 신경정신질환 치료연구

□ 줄기세포기술 개발역사


1908년 러시아 Kirov 군사의학아카데미 Alexander Maksimov 교수는 아직 분화되지 않아 다른 세포로 분화할 수 있는 배아세포를 줄기세포라고 처음 지칭하였다. 수정란이 세포분열을 통해 배반포(blastocyst)가 된 상태에서 내세포괴(inner cell mass)를 이루고 있는 세포 덩어리들은 개체의 모든 조직 세포로 분화가 가능하다. 1962년 당시 옥스퍼드대 John Gurdon 교수는 개구리 소장 세포의 핵을 난자핵과 치환하여 개구리의 복제에 성공하였다. 그는 성체의 세포핵이 초기 분화 이전의 세포핵의 특성으로 돌아가는 핵 재프로그래밍을 실험으로 증명하면서 역분화의 개념을 제시하였다. 1997년 영국 로즐린 연구소(Roslin Institute) Ian Wilmut 박사팀은 핵전달방법을 사용하여 양을 복제하였다. 1998년 위스콘신대 James Thomson 교수팀은 인간 배아줄기세포(embryonic stem cell) 세포를 생성하였다. 배아줄기세포는 잠재적인 생명체인 배아를 희생시키며 특히 핵이 제거된 난자에 시행되는 체세포 이식 기술은 인간 복제로 쉽게 이어질 수 있기 때문에 많은 논란을 일으켰다. 2006년 일본 교토대 Shinya Yamanaka 교수팀은 4가지 전사인자(Oct3/4, Sox2, Klf4, c-Myc)로 쥐의 유도만능줄기세포(induced Pluripotent Stem Cell, iPSC)를 생성하였다. iPSC는 만능분화능(pluripotency)을 가지고 있지 않던 분화된 세포들이 인위적인 역분화 과정을 통해 만능분화능을 가지도록 유도된 세포이다. 2017년 Shinya Yamanaka 교수팀은 인간 iPSC를 생성하였다. 같은 시기에 James Thomson 교수팀도 인간 iPSC를 생성하였다. Shinya Yamanaka 교수팀은 레트로 바이러스, James Thomson 교수팀은 렌티 바이러스를 사용하여 유전자를 전달하였다. James Thomson 교수팀은 Klf4, c-Myc, Nanog, Lin28를 사용하였다. John Gurdon 교수와 Shinya Yamanaka 교수는 줄기세포 연구업적으로 2012년 노벨상을 수상하였다.


◾ iPSC 기반 PD 치료 연구

일본 코토 대학병원은 파킨슨병 치료를 위한 iPS 임상시험을 2018년에 시작하였다. 환자의 두개골에 12mm의 구멍을 뚫고, 약 5백만개의 iPS 세포 유도 도파민 전구세포를 환자 뇌 안의 조가비핵(putamen)의 좌우측 가장리에 삽입하는 정위뇌수술(stereotaxic brain surgery) 방법을 사용하였다. 파킨슨병의 현재 치료법 중의 하나인 DBS는 이 시험에 사용된 정위뇌수술의 한 유형이다. 가능한 이식 거부 때문에 환자는 표준 면역억제제인 타크로리무스(tacrolimus)를 접종 받고, 이식 후 2년 동안 관찰될 예정이다. 시험의 목표는 iPS 세포 유도 도파민 전구세포와 면역억제제의 안전성 및 유효성 평가하는 것이다. 이 시험을 진행하는 CiRA(Center for iPS Cell Research and Application) Jun Takahashi 교수팀은 원숭이 시험에서 iPS 세포로 만든 도파민성 뉴런의 안정성과 유효성을 확인하고 이 연구결과를 2017년에 발표한 바 있다. 맥린 병원(McLean Hospital)과 메사츄세스 종합병원(Massachusetts General Hospital, MGH)의 김광수 교수팀은 2017년과 2018년 2차례에 걸쳐 69세 파킨슨병 환자에게 도파민 신경세포를 면역체계의 거부반응 없이 작용토록 이식 수술을 진행했고, 2년 동안 PET, MRI 영상 등 후속 테스트를 마친 후, 2020년 5월 임상 치료에 성공했음을 발표했다.


iPSC 기반 AMD/RP 치료 연구

일본 고베시립병원, 오사카대학병원, RIKEN(理化学研究所) 및 CiRA(Center for iPS Cell Research and Application) 등이 협력하여 2017년 AMD 환자의 타카 iPSC 유래 RPE 세포 이식을 하였다. 새로운 연구는 고베 종합 병원이 주도하고, 오사카 대학, 교토 대학의 iPS 세포 연구 및 응용 센터(CiRA) 및 RIKEN과 공동으로 진행한다. RIKEN은 재생 의료 목적으로 설립된 CiRA의 iPSC 주식 은행에 저장된 iPSC에서 망막 색소 상피 (RPE) 세포를 생성할 책임이 있으며, 고베 종합 병원과 오사카 대학 병원은 환자에게 RPE 세포를 이식한다. 연구진은 2014년 자가 iPS-RPE AMD 치료후 2017년 타가 iPS-RPE AMD 치료를 하였고 2020년 타가 iPS-RPE RP 치료 계획이다. 2014년의 첫 번째 수술은 총 1억엔이 소요되었으며,이 중 상당수는 클린 룸을 유지하고 세포를 배양하는 데 소비되었다. 자가세포 치료비용이 1억엔 수준이나 타가세포치료비용은 1천만엔 수준으로 줄일수 있을 것으로 기대된다. 동종 이식은 이식용 세포 제조에 소요되는 긴 시간과 비용을 크게 줄일 것으로 기대된다. 환자 유래 iPSC를 사용하는 대신 건강한 공여자 세포를 사용하면 면역 반응(거부)을 유발할 위험이 있지만, 연구팀은 공여자 세포의 인간 백혈구 항원(HLA) 유형(면역 반응을 유발할 수 있는 세포 표면 단백질)을 밀접하게 일치시켜 이 위험을 최소화할 계획이다.


□ 줄기세포기반 신경정신질환 치료제 기업

◾ FCDI & J-TEC

CDI(Cellular Dynamics International, Inc)는 위스콘신대 James Thomson 교수가 2004년에 설립하였다. CDI는 2013년 나스닥에 상장되었고, 2015년 일본의 후지필름이 3억 7천만$에 인수하여 FCDI(Fuji Cellular Dynamics International)로 회사명을 변경하였다. FCDI는 치료제로는 건성 AMD 줄기세포 치료제를 개발중이며, 줄기세포로 다양한 세포를 만들어 신약개발용으로 제공중이다. FCDI의 MyCell제품은 맞춤형 iPS 세포 재프로그래밍 및 분화 프로세스를 사용하여 생성되기 때문에 특정질병 관련 유전자형 및 표현형을 가진 기증자로부터 생물학적으로 관련된 인간 세포를 제공한다. 또한 FCDI는 여러가지 말단분화 세포유형을 카탈로그 제품으로 제공한니다. 후지필름은 필름제조과정에서 획득한 미세화학반응 제어기술, 필름의 주요 구성요소중 하나인 콜라겐에 대한 풍부한 지식등을 기반으로 재생의학분야에 진출하고 있다. 2014년에는 재팬 티슈 엔지니어링(J-TEC)을 인수하였다. 1999년 설립된 J-TEC은 하버드대 Howard Green 교수의 기술을 라이센스받아 중증화상환자 치료용으로 자가배양표피세포를 일본에서 2007년 승인받았으며, 2009년부터는 보험적용 대상이 되었다. 또한 히로시마대 Mitsuo Ochi 교수의 연구를 기반으로 개발된 자가배양연골은 2012년 승인을 받았으며, 2013년부터 보험이 적용된다. 또한 이탈리아 Modena대 Graziella Pellegrini 교수의 연구를 기반으로 개발된 자가배양각막상피는 2020년 정부 승인 및 보험 적용을 받았다.


◾ 힐리오스

힐리오스(Healios)는 2011년 RIKEN Masayo Takahashi 교수의 권유로 안과의사인 Tadahisa Kagimoto가 설립하였다. 설립당시의 기업명은 일본망막연구소(Retina Institute Japan, K.K.)이었다. 설립배경으로 RIKEN Masayo Takahashi 교수는 AMD의 세포치료 연구를 위하여 재팬 티슈 엔지니어링(J-TEC)와 제휴후 대기업과의 협력에 따른 어려움을 극복하고 RIKEN의 iPS RPE 세포 특허기술의 사업화를 위한 기업이 필요하였다. 이후 힐리오스는 RIKEN의 iPS RPE 세포 특허 기술을 라이센스하여 사업화하고 있다. 힐리오스는 줄기세포의 사업화과정에서 제조비용의 절감에 많은 노력을 기울이고 있다. 자가세포 치료비용이 1억엔 수준이나 타가세포치료비용은 1천만엔 수준으로 줄일 수 있을 것으로 기대되어 타가줄기세포 관련 많은 활동을 하였다. 또한 시트를 제작하지 않고 세포를 액체에 혼합 한 부유액 (현탁액)을 환부에 주사하는 방법을 개발 중이다.주사방법은 시트 이식에 비해 수술이 쉬워 저비용의 방법으로 증상이 약한 환자에게 사용예정이다. 이 과정에서 2016년 미국 아테시스와 제휴를 맺고 아테시스의 줄기세포를 도입하고 있다. 이에 Masayo Takahashi 교수와의 관계가 악화되고, Masayo Takahashi 교수는 2019년 RIKEN 퇴직후 벤처기업인 Vision Care의 사장으로 활동하고 있다. 2015년 도쿄 마더스마켓에 상장되었고, 2020년 10월 현재 시가총액은 1058억 ¥이다.


◾ 산바이오

산바이오(SanBio)는 게이오대 Hideyuki Okano(岡野栄之) 교수의 연구를 기반으로 2001년에 설립되었다. 성인골수유래 중간엽줄기세포로 만든 SB623을 외상성뇌손상 및 허혈성 뇌졸증 등의 치료제로 개발중이다.2015년 일본증시에 상장하였으며, 2020년 10월 현재 시가총액이 1,070억¥이다.


아테시스

아테시스(Athersys)는 재생의학 분야의 치료법 개발을 위하여 1995년에 설립되었다. 5HT2C 수용체 작용제인 ATHX-105를 비만 치료제로 개발중이었으나, 2008년 개발을 중단하고 줄기세포치료제 개발에 집중하고 있다. 아테시스의 멀티스템(MultiStem)은 건강한 사람의 골수에서 추출한 동종 골수유래 줄기세포 치료제이다. 멀티스템은 적격 기증자로부터 세포를 분리한 후, 향후 임상 사용을 위해 세포를 대규모로 생산하고 필요할 때까지 냉동 형태로 보관할 수 있다. 아테시스는 RAGE(Random Activation of Gene Expression) 기술을 개발했다. 이 기술은 특정약물적을 발현하는 인간 세포주를 생산할 수 있는 능력을 제공하는 특허 기술이다. 멀티스템으로 뇌졸중 등의 신경계 질환의 치료법을 연구중이다. 뇌졸중이 발생하면 표준 초기요법으로 혈전용해제인 tPA를 투여하는데 이는 정맥으로는 3시간 이내 동맥으로는 6시간 이내에만 사용할 수 있어 시간적 제한으로 인해 환자의 5~8%밖에 투여 받지 못한다. 뇌졸중 발생후 1~2일 이내에 투여해도 되는 멀티스템은 뇌졸중 치료제로서 의학적 미충족 수요를 해결해줄 수 있을 것으로 기대된다. 미국 및 유럽에서 임상시험을 진행중이다. 일본에서는 협력 파트너인 힐리오스가 임상시험을 진행하고 있다. 2007년 나스닥에 상장하였으며, 2020년 10월 현재 시가총액은 3억 1,782만$이다.


브레인스톰 셀 테라퓨틱스

브레인스톰 셀 테라퓨틱스(BrainStorm Cell Therapeutics)은 이스라엘 텔아비브대 Daniel Offen 교수와 Eldad Melamed 교수가 개발한 누르오운 (NurOwn) 기술을 기반으로 2000년 설립되었다. 누르오운기술 플랫폼의 MSC-NTF 세포는 생체외에서 확장되고 분화된 자가 골수유래 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cells, MSC)에서 생산된다. MSC는 초기에는 골수에서 추출된 세포들만으로 골재생 연구가 시작되었다. 이후 많은 연구자들에 의해 골수에서뿐만 아니라 지방, 근육, 피부, 제대혈, 혈관주위 등 다양한 조직에서 중간엽 줄기세포를 얻을 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 이들 세포를 동물 및 인체의 골결손 부위에 적용한 결과 높은 골형성능이 있음이 증명되었다. 면역을 조절하는 능력이 있어 자가이식(autotransplantation)뿐만 아니라 동종이식(allotransplantation)이 가능하다는 사실도 밝혀졌다. 하지만 골수의 기질세포 중 실제로 0.001%에서 0.01% 정도만이 중간엽 줄기세포로 알려져 있다. 충분한 골형성 효과를 내기 위해서는 줄기세포의 농도 및 양이 충분해야 하기 때문에 상당히 많은 양의 골수가 개체로부터 추출되어야 한다. 그러나 골수는 체내 양이 한정되어 있고 채취 과정에서 통증 및 합병증이 발생하기 쉽다. MSC는 높은 수준의 신경영양인자(neurotrophic factors, NTF)를 분비하도록 유도하는 특허조건하에서 MSC-NTF 세포로 전환된다. MSC-NTF 세포를 ALS 치료제로 개발하기 위한 3상 시험이 진행중이다. 브레인스톰 셀 테라퓨틱스는 2005년 나스닥에 상장되었으며, 2020년 10월 현재 시가총액은 5억 1,677만$이다.


◾ 카디마스템

카디마스템(Kadimastem)은 이스라엘 와이즈만 연구소 Michel Revel 교수의 연구를 기반으로 2009년 설립되었다. 카디마스템의 AstroRx는 인간 배아줄기세포(Embryonic stem cells, ESC)에서 파생된 기능적이고 건강한 성상 세포 (신경계 지원 세포)가 포함되어 있다. ESC는 배아에서 모든 체세포 유형을 발생시키는 다능성 세포이다. 난자의 수정과 이배체 접합체의 형성에 이어, 배반포(blastocyst)라고하는 구조는 초기 배아 발생동안 다중 유사분열 세포분열(multiple mitotic cell divisions)에 의해 생성된다. 배반포는 배아세포라고 하는 세포의 내부층과 영양막이라고 하는 세포의 외부층으로 구성됩니다. 외부세포 덩어리라고도 하는 영양 배엽은 배아외 조직을 형성하여 결국 태반, 융모막 및 탯줄을 생성한다. 내부 세포 덩어리(inner cell mass, ICM)로도 알려진 배아세포는 배아로 발달한다 표준 요추 천자 절차(standard lumbar puncture procedure)를 사용하여 AstroRx세포를 환자의 뇌척수액(cerebrospinal cord fluid, CSF)에 주입한다. 카디마스템의 연구진은 배아줄기세포를 성상 세포로 분화시켜 척수에 주사한다. 성상세포는 ALS 등의 질환에서 세포의 오작동 세포를 지지하는 데 실질적인 역할을 한다. 동물 실험에서, 이들 세포는 손상된 뉴런 주위에 보호층을 생성하여 추가의 악화를 방지하고 남아있는 뉴런 및 근육 활동을 유지 및 지원하였다. 이들 세포는 또한 손상된 뉴런에 축적된 독성 물질을 제거하는 인자를 분비할 수 있어 독성물질과 손상물질을 뉴런에서 제거하는 역할을 한다. ALS 환자의 뇌와 척수에 있는 기능 장애 세포를 지원한다 AstroRx는 ALS 치료를 위해 FDA로부터 희귀 의약품으로 지정되었고, 2020년 11월 완료예정으로 2상 임상시험이 진행중이다. 카디마스템은 ALS 제품 외에도 배아 줄기 세포를 기반으로 당뇨병 치료제를 개발하고 있다. 2013년 텔아비브 증시에 상장되었고, 2020년 10월 현재 주가총액은 5,153만ILS(1이스라엘 ILS=336원, 5153만ILS= 173억원)이다.


프리퀀시 테라퓨틱스

프리퀀시 테라퓨틱스(Frequency Therapeutics)는 MIT Robert Langer교수와 하바드대 Jeff Karp교수의 연구를 기반으로 2014년에 설립되었다. 이들은 양서류 등에서 자연세포 재생이 가능하다는 사실을 기반으로 인체의 활성 재생 영역을 연구하여 유사한 분자 경로를 찾기 시작하였다. 위장관 상피는 대략 5일마다 재생성되는데, 상피 줄기세포 중 일부는 Lgr5라는 특정 수용체이다. Lgr5는 Wnt 신호 전달 경로의 구성원이며 특정 줄기 세포를 완전히 분화된 세포로 발전시키는데 중요한 역할을 수행한다. Lgr5+ 전구세포(progenitor cell)의 특별한 형태인 이러한 상피 세포는 내이, 피부, 눈 및 췌장에서도 발견되나 이 세포들이 위장에서는 재생성되고 다른 영역에서는 재생성되지 않는 이유로 특별한 것이 존재한다. 연구진은 소분자 약물의 칵테일을 사용하여 Lgr5 + 세포의 증식 및 분화를 성공적으로 활성화시키는 데 성공하였다. 이를 기반으로 우선 만성소음유발 난청 치료에 집중한 후 향후 치료분야를 피부관련 질병, 근육재생 및 위장병 등으로 확장할 예정이다. 세계 인구의 5%이상이 경험하는 만성소음유발 청력 상실은 음파를 신경 자극으로 변환하는 데 필요한 유모 세포(hair cells)라고 불리는 내이의 핵심 세포가 손실되어 발생한다. 유모 세포를 재생할 수 있는 전구 세포가 귀에 남아 있지만 이러한 세포는 자발적으로 재생되지 않으므로 소분자 약물을 중도에 직접 주사하여 내분비 전구 세포가 번식하여 새로운 유모 세포를 생성하도록 한다. 감각신경성 청력손실(sensorineural hearing loss, SNHL) 치료를 위한 FX-322의 2상 임상시험을 진행중이다. 2019년 나스닥에 상장하였으며, 2020년 10월 현재 시가총액은 6억 7,191만$이다.


리뉴론

리뉴론(ReNeuron)은 줄기세포치료제 전문기업으로 1997년 영국에서 설립되었다. 인간망막전구세포(human retinal progenitor cells, hRPC)는 전구 상태에서 확장될 수 있고 이식전 또는 이식후에 망막 세포로 분화될 수 있어 치료 적용을 위한 충분한 양의 공여자 세포를 생산할 수 있는 매력적인 솔루션이다. 이 세포는 임신 16~18주에 인간 태아의 눈에서 얻는다. 이 기간은 망막 분화가 잘 정의되는 시기이다. hRPC는 시험관내 분화시 또는 망막하 이식후 광수용체마커(opsins)를 발현할 수 있음이 밝혀졌다. hRPC의 확장 단계가 낮은 산소 조건에서 크게 확장되어 광범위한 임상 적용에 적합한 확장 가능한 세포 소스를 생성할 수 있다. 리뉴론의 hRPC 세포 치료 후보는 실명을 유발하는 유전성 망막 질환인 색소성망막염(Retinitis Pigmentosa, RP)을 앓고있는 피험자를 대상으로 미국에서 진행중인 1/2a상 임상 시험이 2021년 6월 완료예정으로 진행되고 있다. 대체투자시장에 상장되었으며, 2020년 10월 현재 주가총액은 2,980만£이다.


◾ ISCO

ISCO(International Stem Cell Corporation)는 인간 처녀생식 줄기 세포 (human parthenogenetic stem cells, hpSC)의 치료 응용에 중점을 두고 2001년에 설립되었다. 처녀생식(Parthenogenesis, PG)은 수정없이 난 모세포의 발달이다. 포유류 처녀생식 배아는 생존할 수 없지만 배아 줄기 세포 (embryonic stem cells, ESC)가 배반포로 발전할 수 있다. PG ESC는 주요 조직 적합성 복합체(major histocompatibility complex, MHC) 분자를 암호화하는 대립유전자(alleles)에 대해 종종 동형접합(homozygous)이다. MHC 동형접합은 기존 ESC에서 발견되는 MHC 이형 접합보다 훨씬 더 효율적인 면역 매칭을 허용하므로 PG ESC는 면역 억제가 전혀 또는 거의 필요하지 않은 세포 치료를 위한 유망한 세포 공급원이 된다. ISCO의 ISC-hpNSC는 인간처녀줄기세포(hpSC) 유래의 신경줄기세포로 구성된 세포치료제이다. ISC-hpNSC를 PD 치료제로 개발하기 위한 1상 임상시험이 진행중이다. 2007년 나스닥에 상장하였으며, 2020년 10월 현재 시가총액은 430만$이다.


뉴엑셀 테라퓨틱스

뉴엑셀 테라퓨틱스(NeuExCell Therapeutics)는 2016년 미국 펜실베니아 주립대에서 Gong Chen 교수의 연구를 기반으로 설립되었다. 전 펜실베니아 주립대 교수이자 현재 중국의 지난대(Jinan Univ) 교수인 Gong Chen 박사 연구진은 HD(Huntington's disease) 동물 모델에서 선조체의 성상세포를 가바성 뉴런으로 전환한 연구결과를 발표하였다. CNS의 성상세포를 기능성 뉴런으로 전환시킨다. 성상세포는 CNS 전체에 존재하며 뉴런보다 더 풍부한 신경교세포의 한 유형이다. 신경전사인자 NeuroD1 및 Dlx2를 HD 마우스의 선조체에서 성상세포에 도입하면 가바성 뉴런이 생성되어 운동기능이 향상되고 삶의 질과 수명이 향상된다. 가바성 돌기 신경세포(GABAergic medium spiny neuron, MSNs)는 뇌의 선조체에서 총 뉴런의 약 9%를 구성하며, 돌연변이 헌팅틴단백질 응집체에 취약한데, 이는 HD환자의 초기 선조체 퇴행과 관련이 있다. HD환자에서 관찰되는 많은 증상은 선조체에서의 MSN 손실과 관련이 있다. 뉴엑셀의 유전자치료법은 AAV 유전자 요법을 사용하여 뇌 또는 척수의 표적부위에 특정인자를 전달하여 손상된 부위에 이미 존재하는 반응성 신경교세포를 재프로그래밍하여 기능성 뉴런을 생성한다. 새로 생성된 뉴런은 기존 뇌 회로에 통합되어 기능 회복으로 이어진다. 뉴엑셀은 2021년말 뇌졸증, 2022년 HD에 IND 제출을 목표로 하고 있다.


아스펜 신경과학

아스펜 신경과학(Aspen Neuroscience)은 Scripps 연구소 Jeanne Loring 박사의 연구를 기반으로 2018년 설립되어 파킨슨병 치료를 위한 자가 유도만능줄기세포(autologous Induced Pluripotent Stem Cell) 치료제 ANPD001을 개발중이다. 아스펜은 또한 글루코세레브로시다제(GBA)를 코딩하는 유전자에서 가장 흔한 유전적 변이로 시작하여 파킨슨 병 발병 위험이 높은 유전적 변이를 대상으로 하는 유전자교정 자가신경치료제 ANPD002도 개발하고 있다. 7,650만 달러의 투자를 유치하고, 2021년 ANPD001 임상시험을 시작할 계획이다.


◾ 롱게버론

롱게버론(Longeveron)은 재생의학치료 전문기업으로 심장전문의인 Joshua M. Hare가 2014년 공동 설립하였다. MSC를 기반으로 노화 및 AD 치료제를 개발중이다. 롱게버론의 LMSC(Longeveron Allogeneic Mesenchymal Stem Cells)를 AD 치료제로 개발하기 위한 1상 임상연구가 2020년 실시되었다. LMSC는 정맥주사로 투입된다. 알츠하이머 협회(Alzheimer 's Association) 및 TEDCO(Maryland 's Technology Development Corporation)로부터 임상시험 자금을 지원받았다.