요약
- 당뇨병은 전 세계적으로 가장 빠르게 증가하는 공중 보건 위기 중 하나로, 현재 전 세계 5억 4천만 명이 앓고 있으며 2045년에는 7억 8,300만 명에 이를 것으로 예상됩니다. 전체 사례의 90% 이상이 제2형 당뇨병이며, 인슐린을 생성하는 베타 세포가 자가면역 반응으로 파괴되는 제1형 당뇨병 또한 급격히 증가하여 2021년 800만 명에서 2040년에는 최대 1,700만 명까지 늘어날 것으로 전망됩니다.
- 인슐린 생성을 회복시키는 세포 치료제가 개념 단계를 넘어 임상 단계로 진입했습니다. FDA는 2023년 제1형 당뇨병을 위한 최초의 세포 치료제인 란티드라(Lantidra)를 승인했으며, 버텍스 파마슈티컬스(Vertex Pharmaceuticals)의 배아 줄기세포 유래 췌도 세포 치료제인 VX-880은 2024년 11월 50명의 환자를 대상으로 하는 중추적 임상 3상 시험에 돌입했습니다.
- 당뇨병 치료를 위해 연구 중인 줄기세포는 크게 성체 줄기세포(가장 대표적으로 중간엽 줄기세포, MSC), 유도 만능 줄기세포(iPSC), 배아 줄기세포(ESC)의 세 가지 범주로 나뉩니다. 각 유형은 면역원성, 확장성, 윤리적 출처, 종양 형성 위험 측면에서 장단점이 있으며, 현재 제1형 및 제2형 당뇨병 모두에서 가장 일관되게 연구되는 유형은 중간엽 줄기세포(MSC)입니다.
- 줄기세포 연구는 인슐린 회복을 넘어 당뇨병의 만성 합병증인 당뇨병성 족부 궤양, 신장병증, 심혈관 질환 등으로 영역을 확장하고 있습니다. 이는 기존의 혈당 조절 치료법으로는 완화 효과가 제한적이었던 분야들입니다.
당뇨병은 가장 시급한 전 세계적 공중 보건 위기 중 하나로 빠르게 자리 잡고 있습니다. 현재 전 세계적으로 5억 4천만 명이 당뇨병을 앓고 있으며, 이 수치는 2045년까지 7억 8,300만 명으로 증가할 것으로 예상됩니다. 전체 사례의 90% 이상은 인슐린 저항성과 베타 세포 기능 장애를 동반하는 제2형 당뇨병입니다.
소아 당뇨병으로도 알려진 제1형 당뇨병은 췌장의 인슐린 생성 베타 세포가 파괴되는 자가면역 질환으로, 이 또한 놀라운 속도로 증가하고 있습니다. 2021년 전 세계적으로 800만 명 이상이 제1형 당뇨병을 앓고 있었으며, 이 수치는 2040년까지 최대 1,700만 명으로 증가할 것으로 예상됩니다.
연구팀은 CAS BioFinder를 사용하여 질병 치료를 위한 잠재적 신규 표적을 찾고, 질병의 메커니즘과 경로를 이해하여 연구 방향을 설정하며, 유망한 표적에서 치료 잠재력의 초기 신호를 식별할 수 있습니다.
당뇨병을 제대로 관리하지 않으면 망막병증, 신장병증, 신경병증과 같은 미세혈관 질환을 비롯해 심혈관, 뇌혈관, 말초혈관 질환 등 여러 신체 기관에 영향을 미치는 만성 합병증이 발생할 수 있으며, 이는 모두 높은 이환율 및 사망률과 관련이 있습니다. 2021년 당뇨병 및 당뇨병성 신장 질환으로 인해 전 세계적으로 200만 명 이상이 사망했으며, 심혈관 질환 사망자의 약 11%가 고혈당과 연관되어 있었습니다.
당뇨병 연구의 변화
제1형 및 제2형 당뇨병을 관리하는 기존의 접근 방식에는 지속적인 혈당 모니터링과 건강한 생활 습관 유지가 포함됩니다. 제1형 당뇨병 환자는 매일 인슐린 주사를 맞아야 하며, 제2형 당뇨병 환자는 메트포르민, 설포닐우레아, DPP-4 억제제와 같은 경구용 약물을 사용합니다.
이러한 질병의 유병률 증가와 전 세계적인 인구 고령화에 따라 제2형 당뇨병 사례가 더욱 늘어날 것으로 예상되며, 더 나은 치료 옵션의 필요성이 대두되고 있습니다. 2022년 FDA는 제1형 당뇨병의 발병을 지연시키는 테플리주맙(teplizumab)을 승인했으며, 제2형 당뇨병을 위해 GLP-1 수용체 작용제 및 SGLT-2 억제제와 같은 새로운 약물들이 연구되고 있습니다.
그러나 최근의 획기적인 연구들은 제1형 당뇨병 환자의 인슐린 분비를 회복시키기 위한 췌도 세포 치료에 집중하고 있습니다. 줄기세포를 인슐린 생성 세포로 분화시키려는 첫 성공적인 시도는 2000년대 초반에 이루어졌고, 임상 시험은 2010년대에 시작되었습니다. 하지만 2023년에 이르러서야 FDA는 제1형 당뇨병 환자를 위한 최초의 세포 치료제인 란티드라(Lantidra)를 승인했습니다. 최근 연구들은 줄기세포 유래 췌도 세포가 당뇨병 환자의 인슐린 생성을 회복시켜 외부 인슐린 주사의 필요성을 줄이거나 완전히 없앨 수 있는 잠재력을 입증했습니다.
줄기세포 치료의 성공률과 지속성을 높이기 위한 새로운 전략들이 탐색되고 있으며, 이러한 접근 방식은 제1형 및 제2형 당뇨병에 대해 더욱 효과적이고 장기적인 치료 결과를 가져올 수 있습니다. 우리는 인간이 큐레이션한 최대 규모의 과학 정보 저장소인 CAS Content CollectionTM을 조사한 결과, 2000년부터 2023년까지 당뇨병 줄기세포 치료 관련 출판물이 눈에 띄게 증가했음을 확인했습니다.
그림 1에서 볼 수 있듯이, 제2형 당뇨병보다 제1형 당뇨병과 관련된 줄기세포 치료 연구가 더 많습니다. 또한 제1형의 경우 전체 문서 중 학술지 논문이 58%, 특허가 42%를 차지합니다. 반면 제2형의 경우 학술지 논문 비중이 82%로 더 높고 특허 비중은 18%에 불과합니다.
당뇨병 치료 가능성을 보여주는 줄기세포 유형
줄기세포는 다양한 특수 세포 유형으로 분화할 수 있는 미분화 세포입니다. 주요 유형은 다음과 같이 세 가지가 있습니다.
- 성체 줄기세포: 조직 내에 존재하며 조혈모세포(다양한 혈액 세포로 분화 가능)나 중간엽 줄기세포(뼈, 연골, 지방 세포로 분화 가능)와 같이 제한된 범위의 관련 세포 유형으로 발달할 수 있는 다능성 세포입니다.
- 유도만능줄기세포(iPSC): 성숙한 체세포로부터 직접 생성되는 만능줄기세포의 일종입니다. 이 세포들은 배아와 유사한 상태로 재프로그래밍되어 신체의 모든 세포 유형으로 분화할 수 있습니다.
- 배아줄기세포(ESC): 초기 배아에서 유래한 만능세포로, 거의 모든 세포 유형으로 분화할 수 있습니다.
당뇨병 치료를 위해 연구 중인 줄기세포 유형을 분석한 결과, 제1형 및 제2형 당뇨병 모두에서 성체 줄기세포가 가장 꾸준히 연구되고 있음을 확인했습니다(그림 2 참조). 성체 줄기세포 중에서는 중간엽 줄기세포(MSC)가 가장 두드러지며, 그 뒤를 이어 신경, 조혈모, 췌장 및 제대혈 줄기세포가 연구되고 있습니다.
배아줄기세포(ESC)에서 유래한 치료 후보 물질인 VX-880은 임상 3상 시험에 진입했습니다(NCT04786262). VX-880은 제1형 당뇨병 치료를 위해 개발된 동종 이계 줄기세포 유래의 완전 분화된 인슐린 분비 췌도 세포 치료제입니다. 이 후보 물질은 고무적인 결과를 보였으며, 2024년 11월 Vertex Pharmaceuticals는 50명의 환자를 대상으로 하는 핵심 임상 3상 시험의 시작을 발표했습니다. 이는 많은 줄기세포 유형이 당뇨병을 단순히 치료하는 것을 넘어 완치까지 이르게 할 잠재력이 있음을 보여줍니다.
CAS Content Collection 분석을 통해 제1형 및 제2형 당뇨병 연구와 관련된 각 줄기세포 유형별 연도별 출판물 추이를 확인했습니다(그림 3 참조). 두 유형 모두 초기 연구는 성체 줄기세포(주로 MSC)와 배아줄기세포(ESC)에 집중되었습니다. 그러나 배아줄기세포에 비해 성체 줄기세포 관련 연구가 더 크게 증가했습니다. 유도만능줄기세포(iPSC) 관련 문헌 또한 두 유형 모두에서 꾸준한 증가세를 보이고 있습니다. 약 10년 전부터 시작된 엑소좀 관련 문헌이나 연구 역시 증가하는 추세입니다.
다양한 줄기세포 유형의 장점과 한계
- 중간엽 줄기세포(MSC): 이 성체 줄기세포는 다양한 공급원(골수, 지방 조직)에서 분리할 수 있으며, MHC-II 복합체가 없고 MHC-I 복합체의 발현이 낮아 면역원성이 낮습니다. 면역 반응과 염증을 조절할 수 있고 종양 형성 위험이 적어 임상적으로 비교적 안전합니다. 그러나 만능줄기세포에 비해 분화 잠재력이 제한적이며, 기증자에 따라 세포의 품질과 효능이 일정하지 않을 수 있습니다. 또한 체외(in vitro)에서 줄기세포 상태를 유지하기 어려워 대량 생산이 쉽지 않습니다. 마지막으로 인간 기증자로부터 유래할 경우 윤리적 문제가 발생할 수 있습니다.
- 유도만능줄기세포(iPSC): 체세포에서 유래하므로 윤리적 문제가 적고, 환자 본인의 세포를 사용할 경우 면역 거부 반응을 피할 수 있습니다. 한계점으로는 세포 재프로그래밍 과정에 시간과 비용이 많이 들고 기술적으로 어렵다는 점이 있습니다. 또한 재프로그래밍 과정에서 유전자 돌연변이가 발생할 위험이 있으며 종양 형성 가능성이 높습니다.
- 배아줄기세포(ESC): 재생 잠재력이 높고 특성이 잘 규명되어 연구가 활발합니다. 증식 속도가 빨라 대량 생산에 적합합니다. 그러나 기형종 형성 위험이 있으며, 사용과 관련하여 윤리적 논란이 존재합니다.
각 줄기세포 유형은 중요한 연구 대상이 되어 왔으며, 이를 표 1에 요약하였습니다.
| 줄기세포 유형 | 주요 연구 결과 |
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중간엽 줄기세포(MSC) |
MSC 이식은 제1형 당뇨병 환자의 HbA1c 수치를 유의미하게 낮추고 공복 C-펩타이드 수치를 증가시킵니다. |
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자가 유래 중간엽줄기세포(MSC) 치료는 초기 제1형 당뇨병 환자의 베타세포 기능을 보존할 수 있습니다. |
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제2형 당뇨병 환자에서 공복 혈당, 당화혈색소(HbA1c), 인슐린 요구량이 감소했으며, 공복 C-펩타이드 및 C-펩타이드/혈당 비율은 증가했습니다. |
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제2형 당뇨병 환자에서 인슐린 요구량은 감소했고, 당화혈색소는 소폭 증가했으며, 글루카곤 자극 C-펩타이드는 유의미하게 증가했습니다. |
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유도만능줄기세포(iPSC) |
인슐린 생성 세포로 재프로그래밍된 iPSC를 환자에게 주입한 결과, 제1형 당뇨병 환자에서 1년 이상 인슐린 주사 없이 안정적인 인슐린 생산이 유지되었습니다. |
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iPSC는 인슐린 생성 세포로 분화될 수 있으며, 전임상 연구에서 가능성을 입증했습니다. |
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배아줄기세포(ESC) |
진행 중인 임상 시험에서 ESC 유래 췌도 세포를 환자에게 성공적으로 이식하여 안전성과 효능 기준을 충족했다는 고무적인 결과가 보고되었습니다. |
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ESC 유래 베타세포는 당뇨병 쥐 모델에서 인슐린 생산을 회복시키고 혈당 조절을 개선할 수 있습니다. |
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줄기세포 유래 엑소좀 |
MSC 유래 엑소좀은 쥐를 대상으로 한 제1형 당뇨병 연구에서 췌도 염증을 억제하고 질병 진행을 완화하는 것으로 나타났습니다. |
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MSC 유래 엑소좀은 쥐를 대상으로 한 제2형 당뇨병 연구에서 췌도 구조를 복원하고 인슐린 민감도를 향상시켰습니다. |
표 1: 줄기세포 유형 및 주요 연구 결과.
줄기세포 치료의 잠재적 발전과 과제
줄기세포 치료는 당뇨병으로 인한 여러 합병증을 치료하는 데 사용될 가능성이 있습니다. 오늘날의 일반적인 당뇨병 치료법은 혈당 조절에 초점을 맞추고 있으나, 당뇨병에 수반되는 합병증을 줄이거나 치료하는 데는 한계가 있습니다.
예를 들어, 최근의 메타분석에 따르면 당뇨병성 족부 질환 환자가 줄기세포 치료를 통해 치유율, 절단율, 통증 점수, 신생 혈관 형성률 등 다양한 지표에서 개선 효과를 얻을 수 있음이 확인되었습니다. 다른 연구들에서는 당뇨병성 신증 및 심혈관 합병증에 대한 줄기세포의 기전과 적용 가능성을 탐구하고 있습니다.
줄기세포는 당뇨병 치료에 엄청난 잠재력을 가지고 있지만, 광범위한 적용을 가로막는 몇 가지 과제가 남아 있습니다. 특히 다른 기증자로부터 유래한 세포(동종 유래)를 사용할 경우 면역 거부 반응이 주요 우려 사항입니다. 이식된 줄기세포의 생존력과 효율성을 유지하는 것 또한 과제이며, 종양 발생 위험도 존재합니다. 이식 후 면역원성과 종양 형성 문제를 해결하기 위해 과학자들은 면역 격리 장치, 캡슐화 방법 또는 면역 억제 요법을 사용하고 있습니다.
연구자들이 이러한 과제를 해결해 나감에 따라, 제1형 및 제2형 당뇨병의 단순한 치료를 넘어 완치까지 가능해질 수 있습니다. 당뇨병 환자가 증가하는 상황에서 혁신적인 치료 옵션을 통해 과학적 돌파구를 마련하는 것은 매우 중요합니다.
