서     론

   대부분의 상피조직은 기저세포 증식에 의한 세포재생능력에 의해 세포손상이나 탈락 후에도 상피세포의 통합성(integrity)을 유지하게 되나 와우 내에 위치하는 Corti 기관은 기저세포가 부족하고 최종적으로 분화된 청각유모세포들로 구성되어 있어 일단 소실되면 치환되지 않는 특징이 있다.¹⁾ 감각신경성 난청은 소음, 이독성 약제, 세균이나 바이러스 감염, 자가면역질환이나 유전성 질환, 노화 등의 원인으로부터 기인한 와우 감각세포의 변성에 의해 발생되고 포유류의 와우 유모세포는 조류의 와우 또는 포유류 전정기관의 유모세포와 달리 세포재생능력을 가지고 있지 않아 다양한 손상에 의해 비가역적인 난청이 유발된다. 또한, 청각 유모세포의 소실은 이차적으로 청각신경세포들과 나선신경절 세포들의 소실도 야기할 수 있다. 
   와우 유모세포들의 소실에 의한 청각손상을 치료하기 위해서는 새로운 유모세포의 재생이 필요하다는 개념이 최근에 형성된 이후 이에 대한 연구는 두 가지 방향의 연구로 발전해 왔다. 첫 번째는 발생학적 신호체계를 활성화시키고 비감각세포(non-sensory cell)의 전이분화(trans-differentiation)를 유도하여 새로운 유모세포를 생성하기 위해 발생학적 유전자(developmental gene)를 사용하는 것이고, 두 번째는 줄기세포를 이용하는 것으로 이들 세포들을 와우조직 내에 통합(integration)시켜 유모세포로의 분화와 증식을 통해 청각기능을 유도하는 것이다. 최근 와우 내 손상된 내이세포의 유전자를 치환하는 연구에서 비감각세포의 존재하에서만 성공적인 결과를 얻을 수 있었고 이는 기질(substrate)로서 비감각세포인 지지세포가 내이유모세포의 재생에 필요함을 의미하며 이러한 기술들의 발전을 위해서는 지지세포들의 특성에 대한 이해가 절대적으로 중요하다고 할 수 있다. 여기서는 내이질환에서 유전자 요법의 발전과정을 알아보고 유전자 치료에서 지지세포의 중요성을 제시하고자 한다.

Corti 기관의 구조와 특징

   Corti 기관이란 와우 내 유모세포와 지지세포로 구성된 극성화된 상피세포들, basilar membrane이라 불리는 단층의 기저막, 청신경의 말단, 그리고 덮개막(tectorial membrane)으로 구성된다(Fig. 1).^{2,3,4,5,6,7,8)} 이 기관 내 구성원들은 음향학적 에너지를 전기적 신호로 바꾸어 나선신경절을 통해 중추신경계로 보내는 청각기능의 말초적 역할에 가장 중요한 부분이라고 할 수 있다. Corti 기관은 크게 감각 유모세포들과 비감각 지지세포들, 이 두 가지의 고도로 분화된 세포들로 구성되어 있다고 보기도 하는데, 유모세포의 비가역적 손상에 의해 청각소실이 일어나는 경우 이 세포들을 재생시키고자 하는 연구는 생존해 있는 지지세포에 초점을 맞춰야 한다. 유모세포와 지지세포들은 덮개막(tectorial membrane)과 접하는 표면층에서 연접복합체(junctional complex)에 의해 복잡한 모자이크 구조를 형성한 망상판(reticular lamina)을 이루고 있는데 이는 와우 유모세포와 지지세포의 첨부에 의해 형성된 Corti 기관의 표면층으로 내, 외림프액 간의 이온장벽을 유지해주고⁹⁾ Corti 기관에 가해지는 기계적 스트레스에 저항하는 기능을 가지고 있다. 망상판은 이온경사(ionic gradient)를 유지하는 기능을 하는 치밀이음부(tight junction)와 조직의 통합성(integrity)과 기계적 저항에 관여하는 adherens junction과 세포골격(cytoskeleton)으로 구성된다. 
   Corti 기관의 상부표면(luminal surface)은 유모세포들과 지지세포들의 접촉으로 구성되어 있는데 다양한 손상에 의해 유모세포의 변성과정이 일어나면 와우 지지세포들은 이 표면층에서 활발한 활동을 시작하게 된다. 즉, 외유모세포의 소실에 의해 내림프와 외림프의 장벽역할을 하는 망상판(reticular lamina)의 결손이 발생하는 것을 막기 위해 신속한 팽창으로 반흔형성(scar formation)이 시작되는데 이 과정은 손상이 심하지 않은 경우 남아 있는 유모세포들을 보호하고 잔존하는 청력의 유지에 도움이 될 수 있다(Fig. 2). 이 두 가지 세포들의 상호반응이 없다면 일부 세포의 손상만이 일어나는 경우에도 손상 직후 내림프 유입에 의한 전 유모세포들의 소실과 함께 완전한 청각소실이 일어나게 될 것이다. 그러므로 지지세포의 이러한 반응은 매우 복잡하고 잘 조절된 와우 보호기전으로 예측되어지나 그 기전은 아직까지 명확히 밝혀져 있지 않다. 최근에는 지지세포의 새로운 기능으로서 와우손상에 의한 유모세포 소실상태에서 새로운 유모세포로의 전이분화(trans-differentiation) 능력, 와우손상 후 변성된 외유모세포의 잔존물을 소화하는 식작용(phagocytosis), 또는 유모세포의 완전소실 후 편평화된 와우상피세포에서의 증식기능 등도 가지고 있음이 보고되었다.^10,11,12)
   Corti 기관 내 세포들은 타 부위 세포들과는 다른 몇 가지 특성들이 있다. 첫째는 미분화된 기저세포가 존재하지 않고 감각상피 내에 모든 세포들은 분화되어 있어 일단 소실되면 치환될 수가 없다는 점이다. 두 번째로 Corti 기관 내 지지세포들은 망상판에서 기저막 사이에 걸쳐 위치하고 있으나 유모세포들은 기저막에 접하지 않고 청신경 말단과 접한 채 지지세포에 얹혀있는 모습을 보인다. 마지막으로 Deiters cell이라 불리는 지지세포는 본체(body)에서 상부로 연결되는 지지돌기(phalangeal process) 부분이 자신이 지지하는 외유모세포 표면의 망상판으로 연결되지 않고 몇 개의 외유모세포를 비스듬히 지난 후 망상판으로 연결되어 주변 외유모세포들과 접하게 된다. 이러한 와우 Corti 기관 내 세포들의 특성은 유전자 치료 가능성의 필요조건이 되기도 하나 유모세포와 지지세포 간의 구조적 복잡성 때문에 와우손상 후 직접적인 신호체계나 세포재생 또는 세포치환의 기전을 이해하는 데 어려움이나 한계가 있다.

유전자 치료의 역사

   유전자 치료의 개념은 일찍이 1966년 Joshua Lederberg와 Edward Tatum에 의해 정립되었다.¹³⁾ 이후 1977년 포유류 세포로 유전자(TK gene) 전달이 성공하면서 생명과학의 비약적인 발전이 시작되었다.^14,15) 승인된 유전자 치료로서 첫 번째 임상시도는 1990년 9월 14일 미국 국립보건원(NIH, National Institutes of Health)의 Anderson, Blaese, Rosenberg 팀이 Adenosine Deaminase(ADA)-deficiency와 Severe Combined Immunodeficiency(SCID) syndrome을 앓고 있던 4세 소녀, Ashanthi De Silva에게 정상 ADA 유전자를 운반할 retroviral vector로 처리된 그녀 자신의 T세포를 주입하면서 시작되었다.¹⁶⁾ 그 이후 인간에서 다양한 질병들에 대해 시행한 유전자 치료는 계속 시도되었다.^17,18,19)
   그러나 1999년 9월 미국 펜실베니아 대학 Institute for Human Gene Therapy(IHGT)에서 유전성 간질환인 ornithine transcarbamylase deficiency(OTCD)를 앓고 있던 18세의 Jesse Gelsinger에게 modified cold virus를 주입하는 유전자 요법을 시행한 4일 후 그가 사망하는 사고가 일어났고 2000년 1월 21일 미국 식품의학품국(FDA)은 펜실베니아 대학의 유전자 치료와 이와 관련한 다른 임상시험을 폐쇄했었다. 이 사고가 지금까지 유전자 치료로 사망한 유일한 예였으나 지난 9월 두 번째 사고가 발생한 것으로 알려졌고 예측하기 어려운 부작용의 발생은 유전자 요법에서 극복해야 할 가장 중대한 과제이기도 하다. 이처럼 유전자 치료의 역사는 짧고 아직도 많은 문제점들을 가지고 있다. 그럼에도 불구하고 난치성 질환에 대한 치료의 효과성 또한 간과할 수 없어 현재까지 전 세계 약 3,000명 이상의 환자들이 유전자 치료를 받았고 동물을 이용한 실험에서도 많은 발전이 이루어지고 있다. 

유전자 치료의 개요와 유전자 치료 대상으로서 와우의 의의

유전자 치료의 개념
   유전자 치료란 살아있는 세포의 유전물질을 채취, 가공하여 치료목적으로 이용하는 것을 말하고 근본적으로는 정상적인 세포기능과 조직의 원형보전을 위해 병적 상태에 있는 세포의 게놈(genome) 내 결함있는 유전자를 치환하거나 회복시키는 것이다(Fig. 3). 
   유전자 치료의 핵심요소인 조직 내 transgene 공급을 위해서는 유전자를 이동시킬 매개체(vector)를 사용해야 한다. 매개체란 정상적으로 작용하는 유전자를 주입시키기 위해 인체 내 표적세포를 감염시킬 바이러스나 표적세포에 전달하는 비바이러스성 개체 등을 말한다. 매개체의 종류에는 비바이러스성 매개체(non-viral vector)와 바이러스성 매개체(viral vector)가 있는데 비바이러스성 매개체는 면역학적 문제가 없는 장점이 있으나 유전형질도입 효율(transduction efficiency)이 낮다는 단점이 있다.^20,21) 바이러스성 매개체에는 adeno-associated virus,²²⁾ herpes simplex virus,^23,24) vaccinia virus,²⁴⁾ adenovirus^{25,26,27,28,29)} 등이 있고 유전자 이동 및 세포 내 유전자 치환을 위한 효과적인 수단이 되나 세포독성이나 면역반응 등의 부작용 위험성을 가지고 있다. 그러나 영국의 경우 승인된 유전자 치료의 약 70%에서 retrovirus, adenovirus, 또는 herpes virus같은 바이러스성 매개체를 사용한 것으로 보고되었다.³⁰⁾ 흔히 사용되는 Adenovirus vector는 1세대 adenovirus (인간 adenovirus serotypr 5)로서 E1과 E3 전사영역(transcriptional region)이 결손되어 있고, transgene 삽입부위는 cytomegalovirus promotor에서 기원한 bacterial lacZ gene이다. 이 바이러스는 1011 viral particles/ml의 농도로 사용되며 3% sucrose suspension 형태로 -80℃에서 보관된다. 비바이러스성 매개체에는 electroporation, microinjection, ballistic particle 등이 있는데 지질, 단백질, calcium phosphate 등을 이용하는 생화학적 방법도 있다. 이러한 particle들은 정맥 하, 복강 내, 간동맥 내, 종양 내 등 다양한 경로를 통하여 주입이 가능하다.³¹⁾ 그러나 내이 치료의 경우 국소 투여경로로서 와우강 내 또는 전정기관 내 주입도 가능할 수 있다.
   내이 중에서도 손상된 와우세포의 치료목적으로 와우 내 유전자 주입을 고려할 때 매개체는 크게 두 가지 주입경로-고실계단(scala tympani), 중간계단(scala media)-를 택해야 한다. 동물실험에서 많이 이용되는 주입경로인 scala tympani를 통한 접근법은 혈관조(stria vascularis)를 피할 수 있어 와우손상을 최소화할 수 있고 와우강의 용적이 상대적으로 커서 비교적 다량을 주입할 수 있는 장점이 있다.^29,32,33) 이 방법은 매개체가 나선신경절 뉴런으로 이동에 운반체(carrier)로서 작용하는 scala tympani 내 섬유세포(fibrocyte)에 의해 선택적으로 통합될 수 있기 때문에 나선신경절 세포를 표적으로 할 때 특히 유용하다.³⁴⁾ 반면, scala meida를 통하는 주입경로는 유모세포의 재생을 위한 Corti 기관으로의 직접적인 접근법이란 점에서 매력이 있고 유모세포를 표적으로 할 수 있으나 혈관조나 기저막의 손상이 불가피하다.^35,36) 또한, 협소한 와우강 용적 때문에 기계적 압력에 의한 손상이 발생하거나 충분한 양이 주입되지 못할 수도 있다는 단점이 있다.

유전자 치료 대상으로서 와우의 의의
   청각 유모세포 분화를 encoding하는 발생학적 유전자의 발견은 유모세포가 소실된 와우 내에 새로운 유모세포 형성을 촉진하는 치료방법을 고안하게 하였다. 유전자 치료의 임상적 적용에는 유전성 질환이나 각종 암 등이 주된 대상이나 내이 또한 유전자전달(gene transfer)을 이용한 임상적 유전자치료 적용가능성이 높은 부위로 생각되고 있다. 그 이유로는 1) Corti 기관이라고 하는 국한된 공간과 제한된 수의 세포 이상이 질환의 주된 원인이고, 2) 유전자 치환을 위한 매개체가 주변 조직과 격리된 내이의 해부학적 특성 때문에 확산이 제한되고, 3) 내/외림프강의 존재와 연결이 유전자 주입부위로부터 내이 내 원위부까지 매개체의 확산을 가능하게 한다는 점 등이 있다.³⁷⁾ 현재 포유류 와우의 유모세포 소실 후 유전자 치료의 기본 개념은 Corti 기관에 남아 있는 지지세포들을 유전적으로 조작하여 유모세포로 재생시키는 것이다. 그러나 아직 인간 청각질환에서 유전자 치료가 시행된 예는 보고되지 않았다. 아직까지 각 유전자들의 기능이 충분히 알려져 있지 않고 다유전자 장애(multigene disorder)에 의한 유전질환의 경우 유전자 치료의 효과가 없거나 제한적일 수 있기 때문에 현재의 기술수준으로 예측할 수 있는 유전자 치료가 가능한 청각질환의 종류는 그리 많지 않을 수 있다. 한편, 임상적 적용 면에서 adenovirus는 유전자를 이동시키는 효과적인 매개체로 알려져 있으나³⁸⁾ 매개체와 숙주 사이에 면역반응이 있고 초기 선천성 면역반응은 급성 독성에 중요한 역할을 담당하는 것으로 알려져 있다.³⁹⁾ 결과적으로 adenovirus의 세포병변 및 면역원성 특성 때문에 인간 청각질환의 치료를 위해서는 현재까지 사용이 불가능한 상태이다. 이러한 부작용 없이 유전물질을 표적세포까지 효과적으로 전달할 수 있는 새로운 매개체의 필요성이 대두되고 있고 그 대안으로 비교적 안전하다고 알려진 아데노 관련 바이러스(adeno-associated virus, AAV)에 대한 관심이 집중되고 있다. 최근에는 paramyxoviridae family의 구성원인 sendai virus를 매개체로 와우세포 내 유전자 핵 내 주입이 가능함을 보고하기도 하였다.³⁴⁾ 매개체로서 이 바이러스의 장점은 유전자독성이 없고 조직과 세포로의 유전자 핵 내 주입 효율이 높으며 인간에서의 병원성의 증거가 아직 없다는 점이다.³⁴⁾
   결론적으로 내이질환을 가진 인간 와우에 이식 후 면역반응 등의 부작용을 일으키지 않고 표적기관이나 세포에서 원하는 치료기간 동안 적절한 양이나 패턴의 유전자 발현으로 다른 정상 유전자의 훼손이나 변화없이 필요한 세포를 재생시킬 수 있는 바이러스 또는 비바이러스 매개체의 개발이 당면하고 있는 문제이고 특정 질환의 유전적 결함이나 특성을 완전히 파악하여 치료적 목적으로 세포를 재생시키거나 세포치환이 가능한 유전자를 개발하는 것이 선행되어야 할 근본과제이다.

지지세포의 분화와 관련된 능력

   와우 내 지지세포는 두 가지 형태 중 하나로 존재할 수 있다. 장원주세포(Tall columnar cell) 형태는 정상적인 상태 또는 유모세포는 소실되었으나 분화된 지지세포의 구조적, 생물학적 특성을 유지하고 있는 경우에서 관찰할 수 있다(Fig. 4A). 그러나 보다 심한 손상이 발생하는 경우 관찰되는 와우 내 편평상피(flat epithelium)는 단입방세포(short cuboidal cell)의 형태를 보이고 분화된 지지세포의 특성을 상실한다(Fig. 4B).⁴⁰⁾ 이러한 지지세포들의 형태에 영향을 주는 인자로는 손상원인의 종류, 손상의 정도, 손상 후 시간의 경과, 개체의 감수성 등이 가능하다. 인간 측두골을 이용한 와우연구는 많은 예들에서 편평화된 상피를 보였는데 와우정원낭 이형성증(cochleosaccular dysplasia)이나 Usher 증후군(Usher's syndrome)같은 유전질환이나 선천성 매독(congenital syphilis) 같은 감염성 질환 등에서 관찰되었다.^41,42,43) 이러한 와우 편평상피를 구성하는 세포가 어디에서 기원하는지는 아직 불확실하다. 두 가지 가능성이 제시되고 있는데, 하나는 Corti 기관의 중심부에 위치하는 Deiters cell이나 pillar cell 등의 지지세포들이 de-differentiation되어 편평화되는 경우이고 다른 한 가지는 지지세포들의 소실 후 Hensen's cell이나 inner/outer sulcus cell 같은 주변 영역 세포들의 이동과 치환에 의해 이루어지는 경우이다.⁴⁰⁾ 
   유모세포가 소실된 상태에서 분화된 지지세포가 존재하는 경우 세포증식이나 재생은 없는 것으로 알려져 있으나 소수의 BrdU 양성세포들이 Corti 기관과 연접한 부위에서 관찰되었다.^44,45) 또한, 와우손상에 의하여 유모세포는 소실되었으나 지지세포가 분화된 세포형태를 유지하고 있는 상태에서는 Atoh1(Drosophila gene atonal의 mouse homolog) 같은 발생학적 유전자의 발현유도가 잔존하는 지지세포들의 전이분화를 야기시켜 새로운 유모세포를 생성시킬 수 있음이 최근 보고되었다.¹⁰⁾ 그러나 분화된 형태의 지지세포가 소실된 상태에서는 이러한 유전자전달에 의해서 유모세포가 생성되지 않음도 밝혀져 있다(unpublished). 한편, 유모세포가 소실되고 와우 내 편평상피가 존재하는 경우에도 일시적이지만 매우 활발한 세포증식이 발생함이 최근 확인되었다(Fig. 5).¹²⁾ 이 현상은 분화된 지지세포가 소실된 상태에서도 줄기세포치료나 유전자 요법을 통한 세포재생의 기회가 부여된다는 점에서 매우 중요한 의미를 가질 수 있다. 그리고 이러한 자극에 의해 세포재생능력의 유발이 가능해진다면 손상이 심하거나 치료가 지연되어 난청이 심화되고 와우상피가 편평화된 경우에서도 치료의 가능성을 높일 수도 있다. 그러나 줄기세포치료의 성공을 위해서는 면역반응이나 종양형성 등의 부작용 없이 세포의 조직 내 통합(integration)과 표적 조직으로의 올바른 귀소(homing)라는 쉽지 않은 과제가 이루어져야 하고 유전자 요법은 숙주DNA에서 통합(integration)하고 안정된 상태로 장기간 유전자 발현을 가능하게 하는 바이러스 매개체(viral vector)가 개발되어야 하는 문제가 아직 남아 있다. 그 밖에도 와우 손상에 의해 유모세포들이 변성되고 분해된 상태에서는 지지세포, 특히 Deiters 세포가 분해된 세포의 잔존물을 소화하는 식작용(phagocytosis)을 가지고 있음도 최근 알려져 있어 와우 내 지지세포들의 역할들이 매우 다양하고 복잡할 것으로 예상된다.¹¹⁾

요     약

   청각은 매우 다양한 원인들에 의하여 와우 유모세포나 청각신경의 손상이 유발될 수 있고 비가역적 손상이 가해지는 경우 회복이 불가능한 난청이 유발된다. 이러한 청각손상을 치료하기 위한 방법의 하나로 와우 유모세포의 재생을 유도하기 위한 유전자치료법이 개발되어 발전하고 있다. 그러나 다른 기관의 질환치료를 위한 유전자 요법과 달리 난청에 대해서는 아직 실제적인 임상치료가 이루어지지 않고 있다. 이를 위해서는 유전자 주입에 의한 보다 명확한 세포재생효과가 입증되어야 할 필요가 있고 유전자 이동에 필요한 매개체에 대한 안전성 확립도 선행되어야 할 것이다. 그리고 현재까지의 연구결과를 종합하여 볼 때 유전자 치료나 세포 치료 모두 Corti 기관의 대다수를 차지하고 있는 비감각세포인 지지세포가 유모세포 형성을 위한 기질로서 필요하고 지지세포가 소실된 와우상태에서의 치료법 개발을 위해서도 지지세포들의 특성을 이해하고 분열 및 분화를 유도하는 기술이 연구되어야 할 것으로 생각된다.

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