상처 회복 연구의 중심 신체재생 화신 도롱뇽 : 잃어버린 신체 부위를 재생하는 것은 인간에게 불가능하지만, 도롱뇽의 세포 연구는 심각한 상처의 치료에 도움이 될 수 있다.
도롱뇽은 놀라운 생물이다. 이 양서류는 손가락을 잃더라도 다시 자라난다. 심지어 심장이나 척수가 잘리더라도 다시 재생된다. 게다가 포식자에게 물린 다리마저도 다시 자라날 수 있다.
가장 유명한 도롱뇽 종 중 하나는 멕시코 시티 근처 호수에서 발견되는 아홀로틀(Axolotl, Ambystoma mexicanum)이다.
아홀로틀은 도롱뇽계의 진정한 피터팬이다. 길이가 30cm인 성충도 일생 동안 젊음을 유지한다. 머리 뒤쪽에서 튀어나온 눈에 띄는 아가미는 아홀로틀의 유충 단계에서 유지된다. 이들이 평생 동안 물을 떠나지 않는다는 사실은 양서류에게는 이례적인 일이다.
화신(Fire god)
아홀로틀의 이름은 (전설에 따르면) 희생을 피하기 위해 도롱뇽으로 변장한 아즈텍 불의 신 Xolotl의 이름을 따서 명명되었다. 오늘날 과학자들은 팔다리를 다시 자라게 하는 놀라운 능력 때문에 실험실에서 아흘로틀을 연구하고 있다.
거의 20년 동안 도롱뇽을 연구한 오스트리아 비엔나 분자병리연구소의 Elly Tanaka 교수는 "나는 여전히 이들이 사지를 어떻게 재생하는지에 대해 매료되어 있다"고 말한다.
그녀의 연구실은 독특한 아흘로틀 종에 초점을 맞추고 있으나, "지금까지 인간이 연구해온 모든 도롱뇽은 사지를 재생하는 능력을 갖고 있는 것으로 보인다"고 그녀는 말한다.
EU가 자금을 지원하는 RegGeneMems 프로젝트의 일환으로 Tanaka 교수는 어떻게 분자가 상처입은 아흘로틀 내부의 세포에게 명령하여 전체 팔다리가 올바른 비율과 크기로 복원하도록 하는 지에 대한 수수께끼를 풀기 위해 노력하고 있다.
이러한 재생은 어깨까지 가능하며 마치 처음으로 팔다리가 자라는 것처럼 이루어진다.
사람의 팔이나 다리가 다시 자라나는 것은 공상과학의 영역에 속하지만, 연구자들은 도롱뇽이 환자의 부상을 더 잘 치료할 수 있는 방법에 대한 통찰력을 제공할 수 있다고 믿고 있다.
Tanaka교수는 '다리 한 개, 심지어 두 개의 다리를 잃은 경우에도 도롱뇽들은 꼬리를 사용하여 헤엄칠 수 있기 때문에 여전히 꽤 잘 움직인다"고 말하였다.
세포 키트
우리가 얻을 수 있는 교훈은 도롱뇽의 경우 팔다리 재생 시 팔다리의 발달과정에 사용하는 것과 같은 분자 기계를 사용한다는 것이다. 따라서 아흘로틀의 교훈을 바탕으로 우리는 우리의 부상수리키트를 강화할 수 있을 것이다.
아흘로틀의 사지가 손실될 경우 상처 부위에 혈전이 형성된다. 피부 세포는 하루 안에 상처를 덮기 위해 움직인다. 그 후에 아래의 조직이 재배열되기 시작하여 먼저 뒤죽박죽인 세포 덩어리(블라스테마)를 형성한다.
블라스테마(blastema)는 장기 또는 신체 부위로 변할 수 있는 능력이 있는 미분화 세포 덩어리이다. 이는 절단된 팔다리의 재생에 특히 중요하다.
인간의 상처에서 흉터 조직은 섬유아세포라고 하는 아교와 같은 세포에 의해 형성된다. 도롱뇽의 경우 몇 주 안에 이 세포들이 (마치 시간을 되돌리듯이) 초기 상태로 돌아가기 때문에 놀라운 일이 일어날 수 있다.
이 세포들은 뼈, 인대, 힘줄 또는 연골이 되기에 충분한 유연성을 회복한다. 그런 다음 이들은 그루터기에서 누락된 신체 부위의 재구성을 지시하는 신호를 서로 발사하여 정확한 복제물을 성장시킨다.
Tanaka 교수는 최근 몇 가지 중요한 신호가 어떻게 혼란스러운 뒤죽박죽처럼 보이는 세포와 조직의 배열을 돕고 있는지를 발견하였다.
그녀는 사지의 엄지 쪽에서 나오는 재생 조직의 세포가 새끼손가락 쪽의 세포와 다른 신호를 생성하기 시작한다는 것을 발견하였다.
고슴도치 소닉
교수는 "엄지 쪽은 FGF-8(섬유아세포 성장인자)를 생산하고 이것은 새끼손가락 쪽 세포에 고슴도치 소닉을 생산해야 한다고 알려준다"고 말했다.
유명한 고슴도치 소닉 비디오 게임 캐릭터의 이름을 따서 명명된 고슴도치소닉신호분자(SHH)는 동물과 인간의 배아 발달에 매우 중요하다.
사람에게서도 발견되는 또 다른 신호 분자는 FGF-8이며, 이는 조직 복구 및 발달에도 기여한다.
FGF-8과 SHH는 함께 손상된 사지 내부의 성장 촉진 상태를 촉진하고 블라스테마에 지시를 내리는 데 도움이 된다. "(사지를 복구하려면) 사지의 엄지쪽과 새끼손가락쪽의 세포가 블라스테마에 들어와야 한다. 그러면 이제 복구를 위해 필요한 모든 세포를 갖추게 된다."
아흘로틀에 관심을 가진 또 다른 과학자는 TU Dresden의 세포 생물학자인 Sandra Edwards 박사이다. 그녀는 칠레에서 박사 학위를 취득하는 동안 미국에서 연구 과정에 참석한 후 도롱뇽에 관심을 갖게되어 진로를 바꾸게 되었다.
그녀는 드레스덴 재생치료센터(CRTD)에서 아흘로틀 사지 복구의 저명한 연구원인 Tatiana Sandoval-Guzman의 연구실에 지원하였다. "도롱뇽에 대해 들을수록 더 매료되었다" Edwards박사는 그녀의 연구가 환자를 도울 수 있기를 희망한다.
조직 장력
마리퀴리 프로그램(MSCA) 펠로우인 Edwards 박사는 ProDistReg 프로젝트를 통해 조직 내 긴장의 차이가 신체 복구에 어떻게 영향을 미치고 어떻게 뒤죽박죽인 세포덩어리가 완벽하게 기능하는 사지로 바꾸는 데 도움이 될 수 있는지를 연구한다.
그녀는 교체되는 조직의 양에 관계없이 사지 재성장에 비슷한 시간이 걸린다는 사실에 흥미를 갖게 되었다. 이것은 더 많은 조직이 제거될 때 사지가 더 빨리 자라야 함을 의미한다. "내 가설은 장력이나 경직이 느리게 자라는 조직에서 더 높다는 것이다"라고 그녀는 말하였다.
놀랍게 보일 수 있겠지만, 조직의 역학과 강성은 조직의 발달과 재생뿐만 아니라 암과 같은 병리에 영향을 줄 수 있다.
세포 내부에는 세포골격이라고 하는 그물 모양의 네트워크가 존재한다. 이것은 외부 압력을 감지할 수 있으며, 이는 세포 핵에 대한 진입 지점(우편 상자와 유사)을 열어 분자 메시지가 유입되고 유전자를 켜고 끌 수 있도록 한다.
"우리는 아흘로틀의 신체가 재생되는 동안 신체에 더 가까운 조직이 멀리 떨어진 조직보다 더 부드럽고 빠르게 자라난다는 것을 관찰하였다."
세포 매트릭스
조직 강성에 대한 지식은 부상당한 환자에게 도움이 될 수 있다. 그러한 환자는 매트릭스로 전달된 줄기 세포로 치료될 수 있을 것으로 생각되지만, 이에 더하여 환자의 조직 내 압력 역시 중요할 수 있다는 것이다.
Edwards 박사는 "신체의 다른 부분에 있는 조직과 세포는 다르게 행동한다. 심지어 같은 팔에 있는 조직과 세포도 위치에 따라 다르게 행동할 수 있다"고 말한다.
따라서 세포를 포함하는 매트릭스가 큰 상처에 이식되는 재생 의학에서 이러한 스캐폴드는 신체의 어디에 배치되는지에 따라 달라야 할 수 있다.
Tanaka 교수는 대부분의 시간을 아흘로틀 재생의 분자 역학을 연구하는 데 보내고 있지만, 그녀 역시 이 연구가 부상당한 환자에게 가져다 줄 혜택을 예견하고 있다. 그러나 도롱뇽과 포유류의 발달 방식은 다르다.
우리와 같은 포유동물의 경우 팔이 처음 발달할 때 배아에서 아주 작은 규모로 발생한다. 도롱뇽의 경우에는 큰 성인 팔로 자랄 수 있는 새싹을 포함하고 있는 것과 같다.
줄기 세포
Tanaka 교수는 "인간 세포는 작은 규모로 작동하도록 배선되어 있기 때문에, 인간 세포에게 (도롱뇽 세포와 같은) 일을 하도록 요청할 수는 없을 것이다"고 말하였다. "하지만 우리는 아흘로틀처럼 재생하는 인간 줄기 세포 그룹을 생산할 수 있을지도 모른다."
예를 들어 이는 화상을 입은 사람들에게 매우 유익할 수 있다. 현재 이 피부의 재건은 땀샘, 모낭 및 기타 세포 유형을 제공하지 않지만, 도롱뇽의 사례를 적용하면 이것을 가능하게 할 수 있다.
"아홀로틀이 하는 이 섬유아세포를 재설정하는 것은 화상과 같은 매우 큰 상처에서 더 나은 치유와 관련이 있을 수 있다"
해당 연구는 EU의 유럽연구위원회(ERC)와 마리퀴리 프로그램(MSCA)를 통해 자금을 지원받았다.
ProxDistReg 프로젝트
- 기간 : 2021.05.01.~2023.04.30. (MSCA/Horizon 2020)
- 예산 : 17만 5천 유로(EU 지원 100%)
- 조정 : Technische Universitaet Dresden (Germany)
RegGeneMems 프로젝트
- 기간 : 2018.01.01.~2023.10.31. (ERC/Horizon 2020)
- 예산 : 232만 유로 (EU 지원 100%)
- 주최 : Forschungsinstitut fur Molekulare Pathologie Gesellschaft MBH (Austria)
