칭화대 연구진, 화학 유도 줄기세포로 심장 박동 조직 갖춘 생쥐 배아 모델 제작

화학적으로 초기화한 세포, 조직화된 배아 모델로 발달

줄기세포 연구자 딩성(丁胜)이 이끄는 칭화대 연구팀이 화학적으로 유도한 줄기세포로 생쥐 배아 모델을 개발했다. 이 모델에서는 혈액세포와 발달 중인 혈관, 초기 생식세포 계열, 규칙적으로 수축하는 심장 조직이 만들어졌다. 2026년 10월 14일 네이처에 발표된 이번 연구는 자궁 밖에서 착상 전 단계부터 기관 형성이 시작되는 시점까지의 발달 과정을 살폈다.

모델은 배아 발생 8.5일째(E8.5)의 자연 생쥐 배아와 매우 비슷했다. 연구진은 배양을 연장하자 기능성 심장 조직이 자연 배아 발생 10.5일째(E10.5)의 조직과 매우 유사해졌다고 밝혔다. 연구 결과는 「화학적으로 유도한 전능성 줄기세포를 이용한 생쥐 배아 발생 모델링」이라는 제목으로 발표된 네이처 논문에 담겼다.

칭화대 약학대학 초대 학장인 딩과 동료들은 정자와 난자 대신 화학적으로 유도한 한 종류의 세포에서 연구를 시작했다. 적절한 배양 조건에서 이 세포들은 스스로 조직화해 발달 중인 몸의 조직과, 보통 몸 밖에서 형성되는 지지 조직을 모두 포함하는 구조를 만들었다.

이번 연구의 핵심 성과는 발달 과정의 연속성이다. 분리된 조직 조각을 각각 만드는 데 그치지 않고, 동일한 초기 세포 집단에서 초기 발달의 여러 단계가 차례로 나타났다. 완전한 생쥐가 만들어진 것은 아니다. 이번 연구는 초기 발달이 어떻게 진행되고 어느 지점에서 실패할 수 있는지를 살펴볼 실험 체계를 마련했다.

화학적 초기화로 달라지는 점

초기 세포는 화학 유도 전능성 줄기세포(ciTotiSC)라고 불린다. 전능성은 태반 형성에 기여하는 조직을 포함해 몸을 이루는 다양한 세포와 발달에 필요한 지지 조직을 모두 만들어낼 수 있는 능력을 뜻한다. 생쥐의 수정란과 초기 배아 세포는 이러한 폭넓은 발달 잠재력을 지닌다.

다능성 줄기세포가 만들어낼 수 있는 범위는 더 좁다. 몸을 이루는 다양한 세포는 만들 수 있지만, 전능성은 배아 바깥의 지지 세포 계열까지 포함한다. 딩 연구팀은 화학물질을 이용해 생쥐 다능성 줄기세포를 더 초기 단계의 상태로 유도한다. 최신 논문은 연구에 사용한 초기 세포를 전능성 유사 세포라고 설명한다.

따라서 실험은 여러 단계를 거친다. 연구진은 적절한 줄기세포 집단을 만들고, 화학적으로 세포 상태를 바꾼 뒤, 조직화된 발달이 시작될 수 있는 조건을 제공한다. 초기 기반 연구에서는 생쥐 다능성 줄기세포를 직접적인 출발 물질로 사용했다.

한 종류의 세포라는 점도 이번 성과의 핵심이다. 많은 배아 모델은 여러 종류의 분화된 세포 집단을 결합해야 한다. 이번에는 유도된 한 종류의 세포가 모델 형성에 필요한 여러 세포 계열을 만들어냈으며, 발달이 진행되면서 세포들은 점차 서로 다른 역할을 맡았다.

세포 집단에서 초기 기관까지의 발달

칭화대 모델은 세포가 조밀하게 뭉친 초기 단계인 상실배와, 내부에 공간이 있고 세포 집단이 구분된 구조인 배반포와 유사한 단계를 거쳤다. 연구진은 배반포 모델의 형태와 세포가 서로 다른 발달 계열로 나뉘는 양상이 자연 배반포와 비슷하다는 사실을 확인했다.

자연 배반포는 보통 추가 발달에 앞서 자궁에 착상한다. 실험실 배양 체계에서는 자궁 밖에서도 발달이 이어져, 보통 어미의 몸 안에서 진행되는 과정을 관찰할 수 있었다.

주요 발달 단계 중 하나는 낭배 형성이었다. 이 단계에서 세포는 신경계와 근육, 장 등으로 발달하는 세 가지 기본 배엽으로 재배열된다. 모델에서는 신체 각 부위가 형성될 위치를 결정하는 공간적 구성인 배아 축도 형성됐다.

이후 혈액세포가 생성되고 초기 기관 발달이 진행됐다. 네이처 논문에서 발달 과정을 설명한 연구진은 다음과 같이 밝혔다.

그 결과로 만들어진 ciTotiSC 유래 배아 모델(ciToti-EM)은 낭배 형성, 배아 축 형성, 조혈, 초기 기관 형성 등 주요 발달 단계를 성공적으로 거쳤으며, 자연 배아(NE)의 배아 발생 8.5일째(E8.5)와 매우 유사했다.

E8.5와 E10.5는 자연 생쥐 배아의 발달 단계를 가리키며, 비교 기준으로 사용됐다. 전체 배아 모델은 E8.5 배아와 유사했고, 배양을 연장한 뒤 심장 조직을 비교한 기준은 E10.5였다. 두 시점은 실험의 서로 다른 측면을 설명한다.

세 가지 화학물질 혼합물에서 시작된 연구

딩 연구팀은 2022년 6월 21일 온라인에 처음 발표하고 이후 네이처 2023년 5월호(617권, 792~797쪽)에 게재한 연구에서 기반을 마련했다. 이 초기 화학 유도 연구에서는 생쥐 다능성 줄기세포로부터 ciTotiSC를 만들고 유지하는 조건을 확립했다.

혼합물에는 TTNPB, 1-아자켄폴론, WS6이 들어가며, 통칭 TAW라고 한다. TTNPB는 레티노산 유사체이고 WS6은 키나아제라는 특정 효소를 억제한다. 이런 소분자는 세포 내부의 신호를 바꿔 어떤 발달 프로그램이 활성화되는지 조절할 수 있다.

유도된 세포는 유전자 활성, DNA와 관련된 화학적 조절, 대사에 관여하는 분자 등 세 가지 측정 항목에서 생쥐 배아의 2세포기 세포와 유사했다. 이들 측정 결과를 종합해 연구진은 세포 상태가 바뀌었는지를 여러 방식으로 평가했다.

연구팀은 이 세포를 8세포기 배아에 주입하기도 했다. 주입된 세포는 배아 조직과 배아 외 조직 모두에 효율적으로 기여했다. 이 실험은 기존 배아와 함께 있을 때 세포가 발달에 어떻게 기여하는지를 시험했다. 반면 최신 연구는 유도된 세포만으로 만들어진 모델의 발달 과정을 추적했다.

세포를 장기간 유지하는 것도 초기 연구의 중요한 부분이었다. 안정적인 세포 공급을 확보하면 자연 상태에서 짧게 나타나는 시기에만 의존하지 않고, 같은 초기 상태를 반복해서 연구할 수 있다.

세 편의 논문이 보여주는 연구의 진전

이번 성과에 이르는 과정에는 칭화대 연구팀의 초기 세포 유도 연구와 다른 기관 연구진이 개발한 별도의 화학 유도 방식이 모두 포함된다. 발표 시점을 살펴보면 비슷한 용어를 쓰지만 서로 다른 초기 세포를 이용한 연구 성과를 구분할 수 있다.

• 2022년 6월 21일: 딩 연구팀이 ciTotiSC를 유도하고 유지하는 화학적 방법을 온라인에 발표했다. 논문은 이후 2023년 5월 네이처에 게재됐다.
• 2025년 8월 7일: 광저우 국가연구소, 광저우의과대학, 푸단대, 웨스트레이크대 등 소속 연구진이 배아 창시 세포 접근법을 온라인 학술지 셀에 발표했다.
• 2026년 10월 14일: 칭화대 연구팀은 네이처 논문에서 ciTotiSC로부터 초기 기관 형성과 기능성 심장 조직을 포함한 연속적인 배아 모델 발달 과정을 설명했다.

세 연구의 공통된 방향은 화학물질로 세포의 정체성을 조절하는 것이다. 유도하는 발달 단계와 사용하는 화학 조건, 이후 발달에 관해 제시하는 증거는 연구마다 다르다.

별도의 접근법으로도 비슷한 발달 단계에 도달

2025년 셀 논문 「화학적으로 유도한 배아 창시 세포로 구현한 기관 형성 단계까지의 완전한 생쥐 배아 모델」은 생쥐 배아의 8~16세포기 세포와 유사한 세포를 만들어냈다. 연구진은 이를 유도 배아 창시 세포(iEFC)라고 불렀다.

연구에 사용된 K4 유도 조건에는 CHIR99021, ALK5 억제제 E6165452, RARα 작용제 AM580이 포함됐다. 이는 칭화대의 ciTotiSC 연구에 사용된 TAW 혼합물과 다른 조합이며, 유도하는 초기 발달 단계의 세포 정체성도 다르다.

iEFC는 배반포 모양체(blastoid)라고 불리는 배반포 모델을 95%의 효율로 형성했다. 자연 배아와 결합한 실험에서 배아 조직과 배아 외 조직 모두에 기여하는 키메라 배아를 만드는 효율은 47~73%로 보고됐다. 키메라는 서로 다른 초기 세포 집단에서 유래한 세포를 포함한 생물체를 말한다.

95%는 배반포 모양체 형성률이고, 47~73%는 키메라 실험의 효율이다. 두 수치는 서로 다른 실험 결과를 나타내며 모두 iEFC 연구에서 나온 것이다.

해당 모델은 자연 배아 발생 8.5~8.75일째(E8.5~E8.75)와 비슷한 형태에 도달했다. 척추와 골격근 등의 형성에 관여하는 반복적인 조직 구획인 체절이 6~14쌍 만들어졌다. 연구진은 고리 모양으로 굽은 심장관과 뇌 영역, 시각소포, 장, 꼬리싹, 이동 중인 원시 생식세포도 확인했다고 밝혔다.

칭화대 연구 결과와 함께 보면, 셀 연구는 화학적으로 유도한 초기 세포 상태가 조직화된 배아 모델을 향한 여러 발달 경로를 뒷받침할 수 있음을 보여준다. 각 경로를 비교하면 초기 세포의 정체성이 이후 발달에 어떤 영향을 주는지 연구하는 데 도움이 될 수 있다.

임신 연구에서 지지 조직이 중요한 이유

칭화대 모델은 발달 중인 몸의 조직뿐 아니라 배아 외 조직도 만든다. 이런 지지 세포 계열은 배아가 발달할 수 있는 환경을 조성하는 데 관여하며, 연구팀의 주요 연구 주제이기도 하다.

딩은 이 체계가 배아 외 조직의 이상이 발달에 미치는 영향을 살피고 가능한 개입 방법을 탐구하는 데 도움이 될 것으로 보고 있다. 연구자들은 발달 중인 몸과 이를 뒷받침하는 조직 사이의 신호 전달이 어떻게 교란되는지 이 모델을 이용해 살펴볼 수 있다.

연구팀은 착상과 태반 질환을 가능한 연구 응용 분야로 꼽았다. 이처럼 상호작용의 양쪽을 모두 포함한 모델은 세포 집단 하나만 따로 연구하는 것과는 다른 실험 기회를 제공한다.

실질적인 가치는 발달 과정을 시간에 따라 추적할 수 있다는 데 있다. 초기 세포 정체성이나 조직 구성의 변화 뒤에 발달 문제가 어떻게 나타나는지 연구해, 최초의 교란과 그 결과를 연결할 수 있다.

생식세포와 혈관이 시사하는 추가 활용 가능성

칭화대 모델에서는 원시 생식세포가 나타났다. 이 세포는 결국 정자나 난자를 만드는 세포 계열의 초기 전구체다. 특수 배양 체계로 옮긴 뒤 전구체는 추가로 발달했으며, 생식세포가 일반적인 염색체 수의 절반을 갖도록 준비하는 세포 분열 과정인 감수분열의 초기 단계에 진입할 가능성을 보였다.

세포는 아직 미성숙하며 생식 능력은 시험되지 않았다. 딩은 기능성 정자나 난자가 없는 사람이 비생식세포에서 출발해 제한된 발달 기간을 거쳐 생식세포 전구체를 만들고, 이후 추가 실험실 절차를 진행하는 방법으로 장차 도움을 받을 수 있을지 연구하자고 제안했다.

현재로서는 연구 방향을 제안한 단계다. 당장 진행 중인 연구는 생쥐의 발달과 세포 정체성, 생식세포 계열이 나타나도록 하는 조건에 초점을 맞추고 있다.

발달 중인 혈관과 혈액세포는 또 다른 활용 가능성을 시사한다. 일부 장기 특성을 재현하는 작은 실험실 구조물인 오가노이드의 성능을 높이는 데 쓰일 수 있다는 것이다. 딩은 내부 혈관이 부족해 오가노이드가 일정 크기와 복잡성을 넘어서기 어렵다고 지적했다.

혈관과 장기 조직이 함께 발달하는 체계는 더 큰 구조물을 뒷받침하는 방법을 연구하는 데 도움이 될 수 있다. 이 실험은 여러 발달 중인 조직 체계를 하나의 모델에 담아, 이들이 서로 어떻게 협력하는지 연구할 기반을 제공한다.

추가 발달이 여전히 핵심 과제

발달이 진행될수록 모델의 발달 지속 효율은 낮아지며, 일부 구조는 여전히 자연 배아와 다르다. 이러한 한계가 배양 환경 때문인지, 모델 자체의 특성 때문인지, 또는 두 요인이 모두 작용한 결과인지는 아직 밝혀지지 않았다.

딩은 연구팀이 당분간 기초 연구에 집중할 것이라고 말했다. 궁극적인 실험 목표는 자궁에 이식한 뒤 발달을 거쳐 건강한 생쥐가 태어나게 하는 것이다. 이 목표를 이루려면 현재 발달 효율이 떨어지는 문제를 해결하고, 더 완전하고 조화로운 성장을 뒷받침해야 한다.

관련 방법을 다른 포유류, 특히 인간에게 적용하려면 과학적으로 더 많은 난관을 해결해야 하며, 더욱 엄격한 윤리적 검토와 사회적 논의도 필요하다. 따라서 생식 관련 응용 가능성과 함께 연구를 어떻게 관리할지에 관한 문제도 검토해야 한다.

이번 성과로 연구진은 초기 생쥐 발달을 한층 연속적으로 관찰할 수 있게 됐다. 유도된 한 종류의 세포가 하나의 발달 과정 안에서 지지 조직과 배아 구조, 새롭게 나타나는 여러 기능을 만들어낸다. 다음 과제는 발달이 진행될수록 이 과정의 재현성이 떨어지는 이유를 규명하는 것이다.

핵심 내용

• 칭화대 연구진은 수정 과정 없이 화학적으로 유도한 전능성 유사 줄기세포만으로 생쥐 배아 모델을 만들었다.
• 2026년 10월 14일 발표된 네이처 논문은 E8.5 배아와 유사한 모델과, 이후 E10.5 배아의 심장 조직에 비견되는 조직을 설명했다.
• 모델에서는 배아 조직과 배아 외 조직, 혈액세포, 발달 중인 혈관, 원시 생식세포가 만들어졌다.
• 이번 연구는 2022년 6월 온라인에 처음 발표된 연구팀의 화학 유도 방법을 토대로 한다.
• 2025년 8월 발표된 별도의 셀 연구는 유도 배아 창시 세포와 다른 화학물질 조합을 이용해 초기 기관 형성 단계까지 진행했다.
• 완전한 생쥐는 만들어지지 않았다. 칭화대 모델은 발달이 진행될수록 발달 효율이 낮아지며, 생식 관련 응용은 아직 연구 제안 단계다.