한 호 재 전남대학교 수의과대학 과학기술부 세포응용연구사업단 줄기세포로 만드는 바이오 치료제 한 호 재 전남대학교 수의과대학 과학기술부 세포응용연구사업단

목 차 I. 바이오치료란 무엇일까요? II. 세포와 생명체의 탄생에 대해 알아봅시다. 목 차 I. 바이오치료란 무엇일까요? II. 세포와 생명체의 탄생에 대해 알아봅시다. III. 줄기세포로 할 수 있는 일은 무엇일까요? IV. 줄기세포를 대량생산 할 수 있나요? V. 돼지 장기 기능은 사람과 비슷한가요?

I. 바이오치료란 무엇일까요?

1. 현재까지의 질병 치료 화학적 과정을 통해 생체와 상호작용하여 생체의 기능을 억제하거나 활성화하는 물질 (예: 약물)을 이용하여 치료함. 인슐린 주사 항 암 제 협심증 치료제

2. 차세대 질병 치료 장기치료 분자치료 세포치료 항암치료 면역억제제 보존 요법 배아줄기세포 성체줄기세포 유전자치료 타인장기이식 이종장기이식 인공장기이식

약물이나 수술로 치료가 불가능한 질병을 바이오 기술을 이용하여 근본적으로 치료하는 것을 의미한다. 바이오 치료 바이오 기술 약물이나 수술로 치료가 불가능한 질병을  바이오 기술을 이용하여 근본적으로  치료하는 것을 의미한다. 바이오 기술 유전자 재조합 면역학적 치료법 단백질의 발현 조절 세포 및 조직 이식 바이오 장기 이식

II. 세포와 생명체의 탄생에 대해 알아봅시다.

1. 다양한 세포의 모양과 크기 난자 130~150 μm 정자 50~60μm 적혈구 8~10μm 신경세포 1 m 운동뉴런 반응기 운동뉴런 연합뉴런 감각뉴런 감각기 시냅스 난자 130~150 μm 정자 50~60μm 적혈구 8~10μm

2. 일반적인 세포의 구성 핵 활면소포체 조면소포체 리소좀 중심체 리보솜 퍼옥시좀 골지체 미세소관 세포 세포막 골격 중간섬유 미토콘드리아 세포막 골지체 리보솜 미세소관 중간섬유 미세섬유 세포 골격

3. 수정, 난할 및 낭배 형성 수정 및 수정란 분할 낭배 형성 : 배엽 형성을 위해 세포들이 전체적으로 재배열하는 것 낭배 형성의 결과 : 외배엽, 중배엽, 내배엽 생성

피부세포 뉴런 색소세포 정자 난자 생식 세포 외배엽 장배 접합체 배반포 중배엽 내배엽 심장 근육 신장 적혈구 장 폐 갑상선 췌장

III. 줄기세포로 할 수 있는 일은 무엇일까요?

1. 줄기세포란 무엇일까요? 줄기세포는 우리 몸을 구성하는 모든 세포들을 만들 수 있는 세포를 말합니다 종류 1. 배아줄기세포 2. 성체줄기세포 인간 배아 줄기세포

2. 배아줄기세포는 어떻게 만들까요? 배반포기 배아 내부 세포 덩어리를 분리하여 만듭니다

3. 배아줄기세포의 다분화능 골수이식 관절염 골다공증 심장질병 파킨슨병 척추손상 당뇨병 신약개발

4. 성체줄기세포 혈액 줄기세포 간 줄기세포 조직 특이적 줄기세포 다능성 줄기세포 신경 줄기세포 근육 줄기세포

5. 성체줄기세포의 유연성 http://stemcells.nih.gov

6. 성체줄기세포와 배아줄기세포 비교 배아 줄기세포 성체 줄기세포 기원 배반포의 내세포 덩어리 성체조직의 여러 조직 분화능력 높음 – 3배엽에서 분화되는 모든 세포로 분화 가능 제한적 – 가능성 발견 중 예) 골수세포 → 간세포, 뉴런

7. 줄기세포로 할 수 있는 일은 무엇일까요? 표적 약물의 개발과 가능한 치료법 발견 독성 시험 줄기세포 분화 기형을 이해하고 예방, 치료 외배엽 중배엽 내배엽 뉴론 혈액세포 간세포 조직/세포 이식

IV. 줄기세포를 대량생산 할 수 있나요?

줄기세포의 특성 (Stemness) 세포자가재생 다양한 세포로의 분화 (Self-Renewal) (Differentiation) In this presentation, our point is self-renewal Ectoderm Mesoderm Endoderm Neuron Blood Cells Liver Cells

1. 줄기세포의 세포주기 준비기 세포성장 감수분열 준비 DNA 복제

2. 줄기세포의 신호전달 세포 밖 세포 안 핵 세포막

3. 줄기세포의 증식은 어떻게 조절될까요? 성장인자 (EGF, TGF) 2. 성호르몬 (Estrogen, DHT) 연구실에서는 다양한 생리활성조절 인자가 어떤 신호전달경로를 통해 줄기세포 증식 및 기능을 조절하는가를 연구하고 있습니다. 성장인자 (EGF, TGF) 2. 성호르몬 (Estrogen, DHT) 3. 신경전달물질 (ATP, Epi, Dopamine) 4. Sonic hedgehog 5. Galectin-1

배아줄기세포 증식 조절에 관한 실험실 논문(SCI) (2006. 1~ 현재) 1. Heo JS, Lee MY, Han HJ. Stem Cells. 2007, [Epub ahead of print] 2. Kim YH, Han HJ. J Cell Physiol. 2007, [Epub ahead of print] 3. Lee SH, Lee MY, Han HJ. Cell Proliferation. 2007, [Epub ahead of print] 4. Na SI, Lee MY, Heo JS, Han HJ. Cell Physiol Biochem 2007, [Epub ahead of print] 5. Lee SH, Heo JS, Han HJ. Cell Physiol Biochem. 2007, 19(5-6):269-82. 6. Han HJ, Han JY, Heo JS, Lee SH, Lee MY, Kim YH. J Cell Physiol. 2007, 11(3):618-29. 7. Heo JS, Han HJ. Stem Cells. 2006, 24(12):2637-48. 8. Lee MY, Heo JS, Han HJ. J Cell Physiol. 2006, 208(2):399-406. 9. Kim YH, Heo JS, Han HJ. J Cell Physiol. 2006, 209(1):94-102. 10. Han HJ, Heo JS, Lee YJ. Am J Physiol Cell Physiol. 2006, 290(4):C1067-75 11. Heo JS, Han HJ. Cell Physiol Biochem. 2006, 17(3-4):145-58 12. Heo JS, Lee YJ, Han HJ. Am J Physiol Cell Physiol. 2006, 290(1):C123-33 13. Han HJ, Heo JS, Lee YJ, Min JJ, Park KS. Clin Exp Pharmacol Physiol. 2006, 33(3):211-20

(예) Sonic Hedgehog가 세포 증식에 미치는 영향 Hes - 1 Notch Wnt1 b catenin actin Fig. 1. Effect of Shh on Gli , Notch/Hes 1, and Wnt1 Shh + Non targeting siRNA si RNA [3H] thymidine incorporation (% of control) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 10 50 100 500 (ng/ml) Shh (24 hr) * BrdU positive cells (numbers/10 fields) 50 150 250 Fig. 2. Effect of Shh on Cell Cycle regulatory proteins and DNA synthesis Time 300 Fluorescence Intensity (F/F0 %, arbitrary unit) 90 110 130 PKC a d ζ Cytosol Membrane Fig. 3. Effect of Shh on Ca 2+ influx and PKC translocation CDK2 Cyclin E CDK4 D1 AG 1478 Bisindolylmaleimide I 57.3% control 71.3% SHH 67.8% BIMI 67.6% AG1478 Fig. 4. Involvement of EGF receptor, in induced cell proliferation

Heo et al, Stem Cells, 2007 PTCH Smo Ca PKC NF - kB Notch/ Hes - 1 Gli Shh EGFR ligands MMP PTCH EGFR EGFR Smo Ca 2+ PKC Cyclin Cyclin E E CDK2 CDK2 NF - kB Cyclin Cyclin D1 D1 CDK4 CDK4 Notch/ Hes - 1 M M Gli Gli Wnt1 G G 1 1 G G 2 2 EGF S S

V. 돼지 장기의 기능은 사람과 비슷한가요?

1. 이종장기 공급원으로서의 돼지 ① 유사한 장기 크기와 유사한 생리적 특징을 지님 ② 짧은 임신기간 (112일), 여러 마리의 새끼 출산으로 장기의 대량공급이 가능 ③ 형질 전환된 복제 돼지의 대량 생산이 가능 ④ 무균돼지의 사육기술로 인간에게 유해한 특정 병원균이 제거된 무균돼지 생산 가능 ⑤ 이식 면역거부 반응이 없는 돼지 생산 가능 ⑥ 장기크기를 고려하여 소형돼지(미니피그) 이용 가능

2. 형질전환 복제 돼지를 이용한 장기 이식

3. 돼지와 사람 심장 기능 비교 평가 A D B C 심장 혈액 관류. A-C : 심근 관류 그림 D: 심장 각 지역에 따른 혈액 정량적 분석 두께 측정 심장 벽의 움직임 재구성 확장말기 부피: 49 ml, 수축말기 부피: 10 ml 방출: 79% 심장벽의 움직임과 두께 측정

4.돼지와 사람 신장 기능 비교 평가 관류 분비 GFR : 92.87 ml/min Pig 1 Pig 2 Pig 3 Age (months) 12 Body weight (kg) 34 36 35 Blood urea nitrogen (mg/dl) 10.67 9.86 1.51 Serum creatinine (mg/dl) 0.83 0.69 0.76 Serum albumin (mg/dl) 2.64 3.11 2.43 DTCA GFR (ml/min) 94.16 91.98 92.49

마치면서…. 생명윤리는 과학발전을 가로막는 장애물이 아니라, 올바른 연구 수행을 위한 동반자라는 사실을 명심해야 함 연구에 수반되는 생명윤리 문제들과 그 해결책을 잘 알고, 국제적으로 인정되는 “생명윤리와 연구윤리” 지침 하에 신중하고 정직하게 연구를 수행해야 함

줄기세포연구는 생물학과 의학에 새로운 돌파구를 열어 줄 유망한 분야 임상적 적용을 위해서는 대량생산, 순수분리기술 확립, 면역거부반응억제, 효율적인 분화유도 등에 관한 기초연구가 필수적으로 선행되어야 함 연구결과는 하루 아침에 쉽게 얻어지는 것이 아니라, 국가적인 지원과 더불어 연구자의 확고한 사명의식과 지속적인 노력의 산물임

실험실 식구들…. 저는 여러분이 우리나라 과학분야의 주춧돌이요, 희망이라 생각하고 있습니다.