차바이오그룹 뉴스룸

세포치료제는 살아있는 세포를 체외에서 증식·선별하거나 물리적∙화학적∙생물학적 방법으로 특성을 변화시켜 치료 및 진단∙예방 목적으로 사용되는 의약품이다.

세포치료제는 세포의 유래에 따라 ▲본인으로부터 적출된 세포나 조직을 사용하는 자가유래 세포치료제(Autologous) ▲본인이 아닌 다른 사람으로부터 적출된 세포나 조직을 사용한 동종유래 세포치료제(Allogenic) ▲사람 이외의 종으로부터 적출된 세포나 조직을 사용하는 이종유래 세포치료제(Xenogenic)로 구분한다. 생명체의 기본단위인 ‘세포’에 대한 이해를 바탕으로 발병 기전에 대한 근원적인 문제를 해결해 질병을 치료하는 것을 목표로 한다. 세포치료제는 현대의학에서 혁신적인 치료법으로 주목받고 있으며, 난치성 질환 치료의 패러다임을 바꾸는 중요한 역할을 하고 있다.

세포치료제 개발의 핵심은 ‘배양’

세포치료제는 살아있는 세포를 활용해 질병을 치료하는 혁신적인 바이오 의약품이다. 치료 효과를 극대화하기 위해서는 안정적이고 효율적인 세포 배양 기술이 필수적이다.

세포 배양은 치료제로서의 효능과 안전성을 결정짓는 핵심 기술이다. 세포 배양은 단순히 세포의 수를 늘리는 것 이상의 의미가 있다. 배양 과정에서 특정 세포계열로의 분화를 유도하는 기술, 배양되는 세포의 품질을 관리할 수 있는 기술 등 세포의 특성을 유지하고 조절하는 기술이 필요하다. 배양 과정에서 세포의 순도, 활성도, 안전성 등을 지속적으로 모니터링하고 관리해 세포치료제의 효능과 안전성을 보장하는 업무도 필수적이다.

< 마티카 바이오테크놀리지 cGMP 제조소에 설치되어 있는 대량 세포 배양기 >

배양 방법은 세포의 종류와 특성에 따라 구분된다.

줄기세포의 경우 자가재생능력과 분화능력 유지가 중요하다. 피더 세포(feeder cells) 기반 배양법, 특수 코팅된 배양 접시 및 재조합 단백들을 활용한 무피더(feeder-free) 배양법, 3D 스페로이드(spheroid) 배양법이 주로 사용된다.

중간엽줄기세포(mesenchymal stem cell)는 저산소 조건에서 최적화된 무혈청(serum-free) 배지를 이용해 배양한다. 면역세포는 CD3, CD28과 같은 항원 또는 IL-12, IL-15 등의 사이토카인을 이용한 세포 활성화와 바이오리액터(Bioreactor, 세포배양기)를 활용한 부유배양방법으로 배양한다.

세포치료제를 상용화, 대중화 하기 위해서는 생산비용을 절감해야 한다. 생산비용을 줄이기 위해서는 대량배양기술을 확보하는 것이 필수적이다. 기존의 세포 배양 방식은 소규모 연구실 수준에서 이루어지는 경우가 많아 대량 배양에는 한계가 있다. 표준화된 배양 기술로 세포치료제의 대량 생산이 가능해지면, 더 많은 환자들에게 치료 기회를 제공할 수 있다.

차바이오그룹은 질환별로 적용 가능한 맞춤형 세포주를 확보하고 있으며, 단시간에 많은 수의 세포를 확보할 수 있는 대량배양기술을 보유하고 있다.

개구리 신경섬유 배양에서 바이오프린팅까지

세포 배양의 역사는 20세기 초반으로 거슬러 올라간다. 1907년 로스 해리슨(Ross Harrison)이 개구리 신경섬유를 체외에서 배양하는 데 성공한 것이 최초의 조직배양으로 알려져 있다.

<로스 해리슨(앞줄 왼쪽에서 두번째)이 1941년 5월 1일 science service 이사회에 참석했을 때 촬영한 사진>

이후 1940~50년대에 항생제의 발견으로 무균 배양이 가능해졌고, 폴리오 백신 개발을 위한 대규모 세포 배양이 이루어졌다. 1960년대에는 헬라(HeLa) 세포주의 확립으로 인간 세포의 지속적인 배양이 가능해졌다. ‘불멸의 세포’로 불리는 헬라세포는 1951년 자궁경부암으로 숨진 미국 여성 헨리에타 랙스(Henrietta Lacks)의 암 조직에서 채취됐다. 무한히 증식하도록 만든 최초의 인간 ‘세포주’가 돼 백신 개발과 노화 연구 등 현대 의학 성취의 밑바탕이 됐다.

1980년대에는 줄기세포 배양 기술이 발전하기 시작했다. 1981년 마틴 에반스(Martin John Evans)와 매튜 카우프만(Matthew H. Kaufman)이 생쥐의 배아줄기세포 배양에 성공했다. 마틴 에반스는 2007년 생쥐의 배아줄기세포를 이용한 ‘유전자 적중법 (gene targeting)’을 발견한 공로로 마리오 카페키(Mario Renato Capecchi), 올리버 스미시스(Oliver Smithies)와 함께 노벨 생리·의학상을 수상했다. 유전자 적중법은 원하는 유전자를 선택하여 없애거나 변형시키거나 대체하는 기술이다. 생명 현상을 규명하는 기초 연구에서 새로운 치료법 개발에 이르기까지 생물학과 의학의 전 분야에서 널리 활용되고 있다.

최근에는 오가노이드, 바이오프린팅 등 첨단 배양 기술이 등장하며 세포 배양의 새로운 지평이 열리고 있다.

자체 배양 기술로 줄기세포 치료제 상업화 기반 마련

대부분의 동물세포는 대기산소 농도(Normoxia, ~21%)에서 배양된다. 세포의 성장을 촉진하며 실험하기에 편리하다는 장점이 있지만, 생체 내 환경과 차이가 있어 여러 가지 단점도 있다. 세포가 자연적인 환경과 다른 조건에서 노출되어 세포의 기능이 저하되거나 산화 스트레스 증가 등과 같은 비정상적인 반응을 촉진할 수 있다. 동일한 실험을 동일한 조건에서 반복했을 때 동일한 결과를 얻을 수 있어야 하는데, 대기산소 농도에서 배양을 할 경우 연구재현성을 확보하기 어렵다.

차바이오텍은 자체 개발한 저산소 배양법으로 성체줄기세포를 대량 배양한다. 저산소 배양은 말 그대로 산소가 매우 부족한 상황에서 줄기세포를 배양하는 방식이다. 일정시간 저산소 상태에 줄기세포를 노출시키면 일반 상태보다 증식력이 향상되어 하나의 공여 조직으로부터 수십만 명분의 치료제를 제조할 수 있다. 또한 염색체가 안정적으로 유지되는 줄기세포를 효율적이고 안전하게 배양할 수 있다는 장점이 있다.

차바이오텍은 인체 내 면역세포의 하나인 NK(Natural Killer, 자연살해)세포의 대량 생산 기술도 보유하고 있다.

기존에는 혈액에서 NK세포를 분리한 뒤 배양해 증식 했으나 차바이오텍의 기술은 분리 절차를 생략하고 혈액에 직접 항체와 사이토카인 등 단백질 성분을 투입하면서 NK세포만 선별해 증식하는 방식으로, 시간과 비용을 절감하는 효과가 있다.

이외에도▲인간 배아줄기세포의 배양 방법 (등록번호:10-0744445) ▲태반-유래 혈청 대체물의 제조방법 및 이를 이용한 성체줄기세포의 배양방법 (등록번호 : 10-1092851) ▲세포 배양 장치 및 방법 (등록번호: 10-1678796) ▲폐암세포의 분리 및 증식 방법 (등록번호 : 10-1832133) ▲인간 다능성 줄기세포 단일세포의 계대배양 방법 및 이를 이용한 형질전환 인간 다능성 줄기세포 제조방법 (등록번호 : 10-1972766) ▲향상된 탯줄 유래 부착형 줄기세포 그의 제조방법 및 용도 (등록번호 : 11690877) 등 세포 배양과 관련된 다양한 특허 기술을 보유하고 있다.

특수 배양 용기 이용해 동일 품질의 세포 대량 배양

그동안 배아줄기세포를 특정 유형의 세포로 분화시키기 위해 ▲FGF(Fibroblast Growth Factor), Activin-A, BMP(Bone Morphogenetic Protein)-4 등의 세포성장인자 주입 ▲인터루킨(IL-3, IL-6), SCF(Stem Cell Factor)와 같은 사이토카인 처리 ▲DNA 메틸화, 히스톤 변형 등 유전자를 변형시키는 방법이 사용되어 왔다. 그러나 기존의 방법들은 세포성장인자 혹은 사이토카인 처리로 인해 많은 비용이 들고, 세포 변이 가능성이 높을뿐만 아니라, 유전자 변형으로 분화 효율이 떨어지는 등 여러 가지 한계를 가지고 있다.

차바이오텍은 인간 배아줄기세포를 중배엽(mesoderm) 세포로 균일하게 대량으로 분화할 수 있는 배양용기 제작 방법에 대한 특허기술을 가지고 있다. 머리카락 굵기 10만분의 1 수준인 미세한 구멍(nanopore, 이하 나노포어)를 일정한 간격으로 삽입한 배양용기 안에서 인간 배아줄기세포를 중배엽세포로 분화를 유도해 배양하는 기술이다.

<인간배아줄기세포 유래 중간엽 줄기세포의 세포 분화능을 확인한 그래프. 출처: 특허등록번호 10-2325449-0000 >

중배엽 세포는 낭배기 이후 배아를 이루는 세개의 세포층 중 외배엽과 내배엽 사이의 세포층에 존재하는 세포다. 혈액 세포, 혈관내피세포, 평활근 및 심근 등을 포함한 근육, 골, 연골, 지방 등의 결합조직으로 분화할 수 있다. 이런 중배엽 세포는 현재 성인의 조직에서 분리해 세포치료 및 재생의료 등의 다양한 분야에 활용되고 있다. 세포의 증식능력 및 기능 향상을 위해 인간 배아줄기세포로부터 중배엽 세포로 분화를 유도해 사용하고 있다.

차바이오텍의 특허를 활용한 나노포어가 삽입된 세포 배양용기는 인간 배아줄기세포의 부착∙증식∙분화에 영향을 줘 균일한 품질의 중배엽 세포를 대량으로 획득할 수 있어 중배엽 세포의 원가 절감 및 품질 안정화 등 효과를 기대할 수 있다. 또한 배아줄기세포에 국한되지 않고 역분화줄기세포(iPSC), 체세포 복제 줄기세포(NT-PSC) 등 다양한 줄기세포에 적용이 가능해 중배엽 계열의 세포가 이용되는 신약 개발이나 치료법 개발에 폭넓게 활용할 수 있다.

세포 배양기술, 세포에 담긴 무한한 가능성 보여줘

세포 배양 기술은 계속해서 발전하고 있으며, 미래에는 더욱 혁신적인 기술들이 등장할 것으로 예상된다. 인공지능(AI)과 자동화 기술을 이용한 최적 배양 조건 예측, 오가노이드 기술을 이용한 미니 장기 개발, 3D 바이오프린팅, 마이크로유체 기술 등이 주목받고 있다. 이러한 기술들은 약물 스크리닝, 질병 모델링, 맞춤형 치료제 개발 등에 혁신을 가져올 것으로 기대된다.

그러나 이러한 발전과 함께 해결해야 할 문제도 남아 있다. 세포치료제의 장기적인 안전성과 효능을 입증하기 위한 지속적인 연구가 필요하고, 고도의 기술과 시설에 많은 비용이 필요한 만큼 효율적인 생산 시스템을 개발해야 한다. 특히 세포 배양 과정을 표준화하고 품질 관리 시스템을 필수적으로 갖춰야 한다.

세포 배양기술은 세포·유전자치료제 개발의 혁신을 이끄는 핵심이다. 이 기술의 발전은 우리가 질병을 이해하고 치료하는 방식을 근본적으로 변화시킬 것이다. 세포 하나하나에 담긴 무한한 가능성, 그것이 바로 세포 배양 기술이 우리에게 보여주는 미래의 모습이다. #