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조혈모세포

조혈모세포(造血母細胞, hematopoietic stem cell, HSCs, hemocytoblasts)는 모든 종류의 혈액세포를 생성하는 줄기세포이다. 다른 이름으로 조혈 줄기세포라고 부른다. 조혈모세포는 골수에서 자가 복제(duplication)와 증식(proliferation)을 할 수 있으며 분화(differentiation)를 통해 혈액 내 여러 세포 (적혈구, 혈소판, 중성구, 호산구, 호염구, 단핵구, T 및 B 림프구, 자연살상세포, 가지돌기 세포)로 분화할 수 있는 능력을 가지고 있다. 조혈모세포는 우리 몸의 어떤 혈액 세포와 세포 혈액 성분(백혈구, 적혈구, 혈소판 등)이 될 수 있지만 장기(폐, 내장 위벽, 신경계 조직, 뇌에서 나오는 신경 세포 등)가 될 수는 없다. 혈액 내 여러 세포로 분화할 수 있는 기능은 악성혈액질환, 중증 재생불량성빈혈 등의 난치성 혈액질환을 대상으로 한 동종 조혈모세포 이식에 이용되고 있다. 최근에는 조혈모세포 이식이 유전성 대사질환, 선천면역 결핍증 등 다양한 질환에서도 유일한 또는 가장 우수한 치료 방법으로 사용되고 있다. 또한 이식된 조혈모세포는 혈액 세포뿐만 아니라 골격근, 심장근, 간, 신경세포, 내피세포, 폐, 식도, 위, 피부 등 다양한 조직의 세포로도 분화한다는 분화 유연성을 증명하는 보고가 있어 이를 토대로 조혈모세포를 이용한 여러 유형의 세포치료가 시도되고 있다.

구조 

조혈모세포(HSCs)는 원형의 모양을 가지며 핵을 보유하고 있으며 림프구와 모양이 유사하다. HSC는 포유류의 발생과정 중 중배엽에서 유래하며, 최초의 HSC는 AGM ( aorta-gonad-mesonephros )에서 발견되고, 이 후 태아의 간에서 크게 증식하여 출생 전 골수에 정착하게 된다.양성 소견을 보여 이를 통해 다른 세포와 구분된다. 따라서 '조혈모세포 이식(hematopoietic stem cell transplantation , HSCT)'의 정의는 공여자의 골수, 혈액, 제대혈 등에서 조혈모세포 (CD34+)를 채취하여 환자에게 주입(이식)하는 것을 의미한다. 공여자의 적혈구, 백혈구, 혈소판은 다시 공여자의 혈액 속으로 돌아가고 조혈모세포만 채취한다. 이렇게 혈액 내 여러 세포로 분화할 수 있는 기능은 악성혈액질환, 중증 재생불량성빈혈 등의 난치성 혈액질환을 대상으로 한 동종 조혈모세포 이식에 이용되고 있다. 최근에는 조혈모세포 이식이 유전성 대사질환, 선천면역 결핍증 등 다양한 질환에서도 유일한 또는 가장 우수한 치료 방법으로 사용되고 있다. 또한 이식된 조혈모세포는 혈액 세포뿐만 아니라 골격근, 심장근, 간, 신경세포, 내피세포, 폐, 식도, 위, 피부 등 다양한 조직의 세포로도 분화한다는 분화 유연성을 증명하는 보고가 있어 이를 토대로 조혈모세포를 이용한 여러 유형의 세포치료가 시도되고 있다. 신경모세포종, 소세포폐암, 유방암, 난소암, 고환종양)등의 경우 강력한 화학요법을 실시하여 종양세포의 근절을 기대할 수 있는데 이러한 강한 화학요법의 경우 골수 억제가 부작용으로 발생하므로 조혈모세포 이식을 실시한다.  조혈모세포는 성인의 골수에서 주로 발견되고, 골수 뿐만 아니라 말초혈액, 제대혈로부터 얻을 수 있다. 오늘날 말초 혈액 조혈모세포가 가장 많이 이용되는데 이는 현혈과 비슷한 방법으로 진행된다.  

조혈모세포는 배양 상태에서 일반 백혈구처럼 보이고 작용하기 때문에 이들을 외형으로 구분하는 것은 매우 어렵다. 따라서 현재 연구자들은 이들 세포 표면에 발현하는 표면단백질을 이용하여  HSC 를 포함하는 세포 군을 구분해 낸다. 세포 표면의 CD 34라고 하는 특이 항원 양성 소견을 보여 이를 통해 다른 세포와 구분된다.

위치

조혈모세포의 중요한 기능인 조혈작용은 혈액 속의 혈구(血球)가 만들어지는 과정으로 대부분 뼈의 중심에 있는 적색 골수에서 일어나며 일부는 말초 혈액에서도 발견할 수 있다.

분리

조혈모세포는 여러 개의 서로 다른 세포 표면 마커인 CD34를 사용하여 희귀 조혈모세포와 주변 혈구를 분리하는 flow cytometry 실험 방법으로 확인하거나 분리 될수 있다. 조혈모세포는 성숙한 혈액세포 마커의 발현이 부족하여 Lin-이라 불린다. lineage marker의 발현의 부족은 조혈모세포를 분리하기 위해 여러 개의 양성 세포표면마커의 검출과 결합하여 사용된다. 또한 조혈모세포는 rhodamine 123이나 Hoechst 33342와 같은 필수적인 염료와 함께 크기가 작고 얼룩이 적은 것으로 특징지어진다. 

기능

조혈작용

조혈작용은 혈액 속의 혈구(血球)가 만들어지는 과정으로 혈액 내의 다양한 세포를 만들어내며 대부분 뼈의 중심에 있는 적색 골수에서 일어난다. 체내에서는 조혈작용을 통하여 매일 5000억개 이상의 혈액세포가 생성되며, 각 종류의 세포의 수는 혈액 내에서 비교적 정교하게 조절되어 균형이 유지되고 있다. 이는 해당 세포의 수적 증가를 초래하는 증식(proliferation)과 성숙하여 다음단계의 세포로 진행하는 분화(differentiation)의 균형을 의미하며 이러한 균형이 깨지게 되면 조혈모세포로부터 혈액 세포로의 조혈과정에서 정상적인 증식과 분화에 이상이 발생하여 분화가 정지되고 비정상적인 증식이 진행된다.

이동성 

조혈모세포는 다른 미성숙 혈구보다 골수 장벽을 통과할 가능성이 높아 한 뼈의 골수에서 다른 뼈로 혈액 속을 이동하기도 한다. 만약 조혈모세포가 흉선에 정착한다면, T세포로 발전할 수도 있다. 태아 등의 경우 조혈모세포도 간이나 비장에 안착해 발육할 수 있다. 이를 통해 혈액에서 직접 조혈모세포가 채취될 수 있다.

노화에 따른 DNA damage

노화 중에 DNA strand breaks는 장기적으로 조혈모세포가 축적되게한다. 이 축적물은 조혈모세포의 정지 상태에 따라 달라지는 DNA repair 및 response pathway의 광범위한 감쇠와 관련이 있다. NHEJ(Non-homologous end connection, NHEJ)는 DNA의 이중 가닥 단절을 repair하는 통로다. NHEJ 경로는 ligase 4, DNA 중합효소 및 NHEJ 인자 1(NHEJ1, Cernunnos 또는 XLF라고도 함)을 포함한 여러 단백질에 의존한다.DNA 리게아제 4(Lig4)는 NHEJ에 의한 이중 가닥 단절의 repair에 매우 구체적인 역할을 한다. 쥐의 Lig4 결핍은 노화 중에 조혈모세포의 점진적인 손실을 초래한다. 만능줄기세포에 lig4가 부족하면 DNA 이중대 균열이 누적되고 세포사멸이 강화된다.   중합효소 뮤 돌연변이 생쥐에서 조혈모세포 발달은 여러 조혈모세포가 포함된 골수세포 수가 약 40% 감소하는 여러 말초 및 골수세포 집단에서 결함이 있다. 조혈모세포의 팽창잠재력도 감소한다. 이러한 특성은 조혈 조직에서 이중 가닥이 부러진 부분을 repiar 할 수 있는 감소된 능력과 관련이 있다.   생쥐에서 NHEJ 인자 1의 결핍은 조혈모세포의 조기 노화를 초래하며, 장기적 재포장이 결함이 있고 시간이 지남에 따라 악화된다는 증거를 포함한 여러 가지 증거로 나타난다. NHEJ1 결핍의 인간 유도 만능줄기세포 모델을 이용하여, NHEJ1이 원시 조혈모세포의 생존을 촉진하는 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다.이러한 NHEJ1 결핍 세포는 생리적 스트레스, 정상적인 신진대사, 이온화 방사선에 의해 유발되는 DNA 손상을 처리할 수 없는 약한 NHEJ1 매개 수리 능력을 가지고 있다. Lig4, DNA 중합효소 mu, NHEJ1 결핍에 대한 조혈모세포의 민감도는 NHEJ가 시간이 지남에 따라 생리적 스트레스로부터 스스로를 유지하는 줄기세포의 능력을 결정하는 핵심 결정요소임을 시사한다. Rossi 외 연구원들은 wild type 조혈모세포에서도 내생 DNA 손상이 나이가 들면서 축적된다는 사실을 발견하였고, DNA 손상이 줄기세포 노화의 중요한 생리적 메커니즘일 수 있음을 시사하였다.   

임상적 중요성 

조혈모세포 이식

조혈모세포 이식(hematopoietic stem cell transplantation, HSCT) 또는 조혈줄기세포 이식은 보통 골수, 말초혈액, 제대혈로부터 기인한다. 조혈모세포는 세포 표면의 CD34 라고 하는 특이 항원 양성을 보여 이를 통해 다른 세포와 구분된다. 따라서 '조혈모세포 이식(hematopoietic stem cell transplantation, HSCT)'의 정의는 공여자의 골수, 혈액, 제대혈 등에서 조혈모세포 (CD34+)를 채취하여 환자에게 주입(이식)하는 것을 의미한다. 공여자의 적혈구, 백혈구, 혈소판은 다시 공여자의 혈액 속으로 돌아가고 조혈모세포만 채취한다. 이렇게 혈액 내 여러 세포로 분화할 수 있는 기능은 악성혈액질환, 중증 재생불량성빈혈 등의 난치성 혈액질환을 대상으로 한 동종 조혈모세포 이식에 이용되고 있다. 최근에는 조혈모세포 이식이 유전성 대사질환, 선천면역 결핍증 등 다양한 질환에서도 유일한 또는 가장 우수한 치료 방법으로 사용되고 있다. 또한 이식된 조혈모세포는 혈액 세포뿐만 아니라 골격근, 심장근, 간, 신경세포, 내피세포, 폐, 식도, 위, 피부 등 다양한 조직의 세포로도 분화한다는 분화 유연성을 증명하는 보고가 있어 이를 토대로 조혈모세포를 이용한 여러 유형의 세포치료가 시도되고 있다. 신경모세포종, 소세포폐암, 유방암, 난소암, 고환종양)등의 경우 강력한 화학요법을 실시하여 종양세포의 근절을 기대할 수 있는데 이러한 강한 화학요법의 경우 골수 억제가 부작용으로 발생하므로 조혈모세포 이식을 실시한다. 조혈모세포는 성인의 골수에서 주로 발견되고, 골수 뿐만 아니라 말초혈액, 제대혈로부터 얻을 수 있다. 오늘날 말초 혈액 조혈모세포가 가장 많이 이용되는데 이는 현혈과 비슷한 방법으로 진행된다.  

[조혈모세포의 근원에 따라]  

말초 조혈모세포 이식	환자나 공여자에게 백혈구 촉진제를 수일 동안 주사하여 말초의 조혈모세포 수를 증가시켜 세포 분리기로 원하는 세포(주로, 조혈모세포)만을 채집하여 환자에게 주입하는 시술
골수 조혈모세포 이식	환자와 공여자의 수술일을 이식 전에 확정하고 환자에게는 다량의 항암제를 투여함과 동시에 공여자의 장골능 안의 골수에서 조혈모세포를 채집하여 환자에게 주입하는 시술
제대혈 이식	태아의 제대혈에서 채집된 조혈모세포를 이식을 하는 것으로 세포 수가 적어 조혈모세포의 공여자가 적합하지 않는 경우 고려됨

말초혈액 조혈모세포의 채취는 골수에 비해 비교적 용이하고 이식 후 조혈기능이 빠르게 회복될 수 있다. 그리고 골수를 침범하지 않는 고형암의 경우에는 종양세포의 오염이 적다는 장점이 있다. 신경모세포종, 소세포폐암, 유방암, 난소암, 고환종양)등의 경우 강력한 화학요법을 실시하여 종양세포의 근절을 기대할 수 있는데 이러한 강한 화학요법의 경우 골수 억제가 부작용으로 발생하므로 조혈모세포 이식을 실시한다. 이 외에도 선천적 면역 결핍 질환에도 조혈모세포 이식을 고려한다.

말초 조혈모세포 이식

말초혈액 조혈모세포 이식(Peripheral blood stem cell transplantation,PBSCT)은 자가(autologous)또는 동종(allogeneic)의 두 종류가 있으며 조혈기능의 빠른 회복을 위해 시행된다.

[수여자와 공여자의 관계에 따라]   

말초혈액 조혈모세포 이식 (Peripheral blood stem cell transplantation,PBSCT)
자가 조혈모세포 이식 (Autologous transplant)	치료에 앞서 환자가 자기 자신의 조혈모세포를 채집해 두었다가 치료과정에서 나중에 자신의 조혈모세포를 다시 제공받는 경우를 말한다.
동종 조혈모세포 이식 (Allogeneic transplant)	다량의 항암제 투여나 방사선 치료로 암세포를 파괴하고 조혈모세포가 생착될 수 있는 공간을 확보하여 주입된 조혈모세포가 이식편 대 종양효과(Graft-Versus-Tumor Effect)까지 나타나기를 기대한다.   일차적인 목적은 고용량의 항암제나 방사선 치료를 하여 우리 몸에서 세포분열이 빠른 세포를 죽이고, 새롭고 건강한 세포가 자랄 수 있도록 공간을 확보해 주기 위함에 있다.

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연구

조혈모세포의 연구의 방법으로 Flow Cytometric Analysis, Colony Forming Cell Assays, Co-culture Assays 등이 있다.  미성숙 조혈모세포의 식별 및 정량화를 위한 여러 가지 체외 분석 방법이 개발되었다. 가장 빠른 방법인 유량 측량 분석(Flow Cytometric Analysis)은 HSC를 전진적으로 식별하고 분리할 수 있는 유일한 방법이지만, 기능적 데이터를 제공하지 않는 방법 이다. 그러나 그것은 repopulating ability와 강하게 상관되어 왔으므로 널리 받아들여지고 있다. CFC(Colony Formating Cell Assay)는 조혈모세포 유전자를 식별하는 두 번째 가장 빠른 방법을 나타내는 시험관 내 기능 검사다. 다단계 군집을 형성할 수 있는 능력에는 차별화 능력뿐만 아니라 일부 제한된 self-renewal 기능이 모두 필요하기 때문에 이러한 기능분석은 제한된 기능분석을 제공한다. 훨씬 더 많은 시간을 소요하는 실험 방법인, cobblestone area-forming cells (CAFC) 및 long-term culture initiating cells (LTC-IC)는 체외에서 기능적으로 검사할 수 있는 가장 초기의 조혈 세포 집단을 나타내기 위해 사용된다. 이 두 검사 모두 CFC 검사보다 더 광범위한 self-renewal 능력이 필요하다.    

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