배양 줄기세포에서 '발생 2주 후의 인간배아의 거의 완전한 모델'을 작성하는데 성공...수수께끼가 많은 발생 초기 연구에 도움이 될 가능성

최근에는 인간의 장기나 기관을 배양한 줄기세포로부터 만들어내는 연구가 진행되고 있으며 발생 초기의 인간배아를 인공적으로 합성하는 시도도 이루어지고 있습니다. 새롭게 이스라엘 와이츠만 과학연구소의 제이콥 한나 교수 연구팀이 배양한 줄기세포로부터 발생 1주일 후의 인간배아의 모델을 작성해 발생 2주일 후의 단계까지 배양하는 데 성공했다고 보고했습니다.

Human Embryo Models Grown from Stem Cells - Life Sciences | Weizmann Wonder Wander - News, Features and Discoveries
https://wis-wander.weizmann.ac.il/life-sciences/human-embryo-models-grown-stem-cells

Human Embryo Models Grown from Stem Cells - Weizmann Wonder Wander - News, Features and Discoveries

‘Complete’ models of human embryos created from stem cells in lab | Stem cells | The Guardian
https://www.theguardian.com/science/2023/sep/06/complete-models-of-human-embryos-created-from-stem-cells-in-lab

‘Complete’ models of human embryos created from stem cells in lab

줄기세포를 이용하여 인공적으로 장기와 기관을 만들어내는 연구는 최근 급속히 진전되고 있습니다. 한나 교수 연구팀은 몸을 구성하는 거의 모든 세포로 분화할 수 있는 다능성 줄기세포를 재프로그래밍하여 더욱 미분화된 '나이브형 인간 줄기세포'라고 불리는 상태로 되돌리는 방법을 개발했습니다.

연구팀은 이 나이브형 인간 줄기세포를 화학처리함으로써 배아로 성장하는 것을 의도한 세포군이나 태반이나 난황낭, 배체외 중배엽 등으로 성장하도록 의도한 세포군을 만들어 냈습니다. 그리고 이들 세포군을 최적화된 조건으로 혼합하면 세포는 덩어리를 형성하고 그 중 약 1%가 완전한 배아형 구조에 배치되었다고 합니다.

이 갓 만든 모델 배아는 발생 1주일 후 인간배아에 해당하는 구조를 가지고 있으며, 자궁 밖에서 8일간 정상적으로 발달하여 발생 2주 후 인간배아에 해당하는 발생단계에 이르렀습니다. 연구팀에 따르면 발생 1주일 후에 상당하는 단계의 모델 배아는 약 120개의 세포로 구성되었고 크기는 0.01mm 정도였지만 발생 2주 후 상당한 단계에서는 약 2500개의 세포가 모여 크기는 0.5mm 정도까지 성장했다고 합니다.

한나 교수는 “배아는 정의상 자기구동형으로, 무엇을 해야 하는지를 지시할 필요는 없고 내부적으로 인코딩된 가능성을 해방할 뿐입니다. 먼저 적절한 종류의 세포를 혼합하는 것이 중요합니다. 이것은 발생 제한이 없는 나이브형 줄기세포에서만 유래합니다"라고 설명했습니다.

이 모델 배아는 태반이나 난황낭 등 같은 연령의 인간배아와 같은 구조적 특징을 가지고 있으며 구조나 지지구조가 올바른 위치에 있을 뿐만 아니라 크기나 형상도 적절했다고 합니다. 또한 임신검사의 판단 기준이 되는 호르몬을 만드는 세포까지 존재해 실제로 임신검사 키트는 모델 배아로부터의 분비물을 검출하여 양성(임신)이라고 판정했다고 연구팀은 보고했습니다.

인간배아는 발달로부터 3~4주 동안 신체기관을 포함하는 구조화된 배아가 되지만, 발달 초기 인간배아는 윤리적 및 기술적 문제로부터 연구하기가 어렵습니다. 한나 교수는 “임신의 큰 드라마는 첫 1개월에 있고 나머지 8개월은 주로 성장 단계입니다. 이번에 작성된 모델은 초기 인간배아가 태아로 성장하는데 필요한 과정을 에뮬레이트한 것으로, 수수께끼에 싸인 발생 초기 인간배아의 연구에 도움이 될 것으로 기대되고 있습니다"라고 설명했습니다.

한나 교수는 “임신 실패의 대부분은 발생 초기 몇 주 동안 발생하며, 이는 종종 여성이 임신 중임을 알기 전입니다. 발생 초기에는 또한 많은 선천성 결손증이 발생합니다 때때로 그것들은 아주 늦게 발견되는 경향이 있습니다. 우리의 모델은 이 초기단계에서 적절한 발달을 보장하는 생화학 및 기계적 신호와 발달이 작동하지 않는 이유를 명확하게 하는데 사용할 수 있습니다”라고 말했습니다.

실제로 이번 실험에서는 인간배아발생으로부터 10일 후에 상당하는 단계에서 배아가 올바르게 태반형성세포에 싸여 있지 않으면 난황낭 등의 내부구조가 적절하게 발달하지 않는 것도 알게 되었습니다.

영국의 바브라함 연구소에서 인간배아에 대해 연구하고 있으며 이번 연구에는 관여하지 않은 피터 래그암 박사도 이번 연구는 확실히 중요한 것으로 인정했습니다. 게다가 태반의 전구물질인 영양막은 적절히 조직화되어 있지 않은 등 완전한 인간배아를 재현한 것이 아닌 점에는 주의가 필요하다고 지적했습니다. 또 자궁내막에 착상하기 위해서 필요한 단계를 우회하고 있기 때문에 모델 배아를 자궁에 이식했다고 해도 발달할 수 없다고 전했습니다.