숙명여자대학교 생명시스템학부 유전자세포치료연구실
(Gene and Cell Therapy Laboratory)
□ 연구책임자 및 구성원
교수(연구책임자): 이병철 (bclee@sookmyung.ac.kr)
구성원:
- 석사과정 연구원: 이민영
- 학부연구생: 정희영, 김예진, 이채연
(위) 이병철 교수, 이민영 석사과정 연구원
□ 연구실 개요
2023년 3월 숙명여자대학교에서 문을 열게 된 저희 연구실은 지금까지 진행해오던 성체줄기세포 치료제의 기능 고도화 연구와 줄기세포 유전자 편집 및 이식 효율에 대한 연구를 이어가고자 합니다.
다양한 성체조직으로부터 분리가 가능한 줄기세포는 수십 년간의 연구를 통해 자가면역성 질환, 신경퇴행성 질환 등 여러 난치성 질환에 대한 치료 효과를 지니는 것으로 알려졌으며, 촉망받는 차세대 치료제로서 전세계적으로 수백 건의 임상시험이 진행중에 있습니다. 그러나 많은 강점들에도 불구하고, 공여자에 따른 세포간 성상 차이나 이식 후 생착 효율의 감소 등의 문제로 인해 임상적 적용이 지연되고 있는 실정입니다. 이러한 한계점들을 극복하기 위해 줄기세포 치료제의 기능 고도화 및 일관된 치료효과를 얻고자 하는 노력들이 계속 되어오고 있습니다.
조혈모세포는 여러 성체줄기세포 치료법 중 가장 오랜 역사를 지니고 있으며, 다양한 혈액 및 면역 질환, 혈액원성 종양 등에 대한 대체 불가능한 치료 수단으로 사용되어 왔습니다. 현재까지는 동종이계 조혈모세포이식이 대부분을 차지하고 있으나, 유전성 질환의 경우에는 가족 내에서 적합한 공여자를 찾기 어렵다는 한계점이 대두되고 있습니다. 체외로 분리된 줄기세포를 전처치를 거친 환자에 주입하여 새로운 조혈시스템으로 교체하는 조혈모세포 이식의 특성은, 다른 기관이나 장기와 달리 조혈계를 유전자 치료의 적합한 타겟으로 만들어 줍니다. 뿐만 아니라 CRISPR/Cas9 등의 programmable nuclease의 등장은 보다 정밀한 유전자 편집을 가능하게 하며, 이를 통하여 혈액원성 유전 질환에 대한 자가 조혈모세포 유전자치료의 가능성을 앞당기고 있습니다. 그러므로 유전자 세포치료제의 실질적 적용에 앞서 줄기세포 유전자 치료의 안전성과 지속성을 연관성 높은 모델 시스템을 통해 치료적 가능성 검증하고, 유전물질의 효과적인 전달법을 개발하는 것이 앞으로 남겨진 과제라 할 수 있습니다.
- 조혈모세포를 이용한 유전자세포치료제 연구
선행 연구를 통해 유전자 Knockout에 특화된 비상동 말단 결합(Non-homologous end joining; NHEJ)과 상동 재조합 (Homology-directed repair; HDR)을 이용한 정밀 교정을 포함하는 CRISPR/Cas9 유전자편집기술은 편집 세포에 DNA double strand break (DSB) 유발하며, 이로 인한 DNA damage response (DDR)을 일으켜 체내에 이식된 세포의 생착능 감소와 극히 일부의 세포만이 조혈작용에 참여하는 oligoclonal hematopoiesis를 일으키는 것을 확인하였습니다. 이는 DDR의 핵심기전인 p53 activation을 억제한 경우에도 극복되지 않기 때문에 DSB를 유발하지 않는 Base editor나 PRIME editor 등의 새로운 tool의 전임상적 유효성을 평가하는 연구를 진행하고자 합니다.
- Lipid nanoparticle을 이용한 In vivo gene therapy 연구
체외로 분리된 세포는 유전자 편집을 위해 transfection 혹은 transduction 과정을 거치며 세포활성을 크게 잃게 됩니다. 최근 다양한 delivery method를 활용한 in vivo gene therapy 연구가 수행되고 있는 가운데, 지질 나노입자(Lipid nanoparticles, LNPs)는 조혈모세포를 포함한 다양한 세포로 gene modification tool을 효율적으로 전달하는데 사용될 수 있습니다. 위 연구주제로부터 확립된 gene modification tool을 DNA 혹은 mRNA 형태로 load된 LNP를 골수내로 직접 주입하거나, 표면 구조 변화를 통한 HSC targeting을 통해 HSC 특이적으로 전달하여 편집 효율 및 생체 내 지속성을 분석하고자 합니다.
- Organoid 모델을 통한 질환 모사 연구
현재까지 CRISPR/Cas9을 포함하는 대부분의 유전자 편집 조혈모세포 이식 연구는 NOD Scid gamma (NSG) 마우스 모델을 사용하여 이루어졌으며, 상대적으로 높은 이식 효율을 보여주었습니다. 그러나 인간 조혈모세포 이식에 최적화된 NSG 마우스에서의 특성에 의해 실제 이식 효율과는 차이는 나타낼 수 있습니다. 따라서 보다 인체 환경과 유사한 관련성 높은 모델을 통한 연구가 요구되고 있습니다. 골수 오가노이드(bone marrow organoid) 모델은 골수 미세환경의 구조적 및 기능적 측면을 재현하기 위한 3차원 모델로 골수 조직의 구조적 복잡성을 재현하고, 세포 구성을 모방합니다. 골수 조직과 유사한 미세환경을 재현하여 이식 후 생착과정 등 세포간 상호작용 등을 연구하며, 정립된 기술을 통해 질환모델 등을 개발하는 데에 응용할 수 있습니다.
□ 주요 논문 성과
1.
Lee BC*, Zhou Y*, Bresciani E, Ozkaya N, Dulau-Florea A, Carrington B, Shin
TH, Baena V, Syed ZA, Hong SG, Zhen T, Calvo KR, Liu P, Dunbar CE. A
RUNX1-FPDMM rhesus macaque model reproduces the human phenotype and predicts
challenge to curative gene therapies. Blood. 2023 Jan 19;141(3):231-237.
2.
Lee BC*, Lozano RJ, Dunbar CE. Understanding and Overcoming Adverse
Consequences of Genome Editing on Hematopoietic Stem and Progenitor Cells. Mol
Ther. 2021;29(11):3205-3218.
3.
Lee BC*, Lee JY*, Kim J, Yoo JM, Kang I, Kim JJ, Shin N, Kim DJ, Choi SW,
Kim D, Hong BH, Kang KS. Graphene quantum dots as anti-inflammatory therapy for
colitis. Sci Adv. 2020;6(18):eaaz2630.
4.
Lee BC*, Kim JJ, Lee JY, Kang I, Shin N, Lee SE, Choi SW, Cho JY, Kim HS,
Kang KS. Disease-specific primed human adult stem cells effectively ameliorate
experimental atopic dermatitis. Theranostics. 2019;9(12):3608.
5.
Kang I*, Lee BC*,
Choi SW*, Lee JY, Kim JJ, Kim BE, Kim DH, Lee SE, Shin N, Seo Y, Kim HS, Kim
DI, Kang KS. Donor-dependent Variation of Human Umbilical Cord Blood
Mesenchymal Stem Cells in Response to Hypoxic Preconditioning and Amelioration
of Limb Ischemia. Exp Mol Med. 2018;50(4):35.
□ 맺음말
이제 막 시작한 저희 연구실을 소개할 수 있는 기회를 주신 한국실험동물학회 웹진 관계자 여러분께 감사의 말씀을 드리며, 이를 통해서 저희 연구에 관심이 있는 많은 연구자분들과 공동연구를 진행할 수 있는 계기가 될 수 있기를 기대합니다.