싱가포르, 아시아인 심장질환 연구·맞춤 치료 위한 줄기세포센터 개소

혈액 5ml로 심장질환을 새롭게 들여다보다

싱가포르가 아시아인의 심장질환을 줄기세포로 연구하는 첫 전담센터를 열었다. 이번 센터는 환자의 세포로 만든 40종 이상의 질환 모델을 보유한 싱가포르 국립심장센터(NHCS)의 연구 기반을 바탕으로 한다. 아시아인 환자에게 심장질환이 다르게 나타나는 이유를 파악하고, 이들의 생물학적 특성에 더 잘 맞는 치료법을 찾는 것이 목표다.

통 키앗 하우 보건부 선임 국무장관은 10월 16일 싱가포르 리츠칼튼 밀레니아에서 열린 제6회 NHCS 하트 투 하트 갈라 행사에서 인간세포 통합연구·중개센터(CIPHER)를 출범시켰다. 연구진은 혈액 5ml만으로도 연구를 시작할 수 있다. 혈액에서 얻은 세포를 줄기세포로 재프로그래밍한 뒤, 실험실에서 박동하는 심장근육세포로 배양해 연구한다.

NHCS 및 싱가포르 국립심장연구소(NHRIS)의 수석 연구원이기도 한 CIPHER 부소장 크리샨 라마찬드라는 아시아인 환자들이 서구 환자보다 더 일찍 심장질환을 앓고, 질환 양상도 다르며, 예후도 대체로 나쁘다고 말했다. 그러나 치료법 개발을 뒷받침한 연구 상당수는 동물과 서구인의 생물학적 특성에 의존해 왔다.

센터는 여러 연구 분야를 한데 모은다. 개별 환자의 질환 특성을 지닌 모델, 인간세포를 활용한 약물 시험, 그리고 심부전의 일부 특성을 재현하도록 설계된 소형 심장 챔버가 포함된다. 출범과 함께 별도로 전달된 250만 달러의 기부금은 심장·흉부외과 연구와 차세대 외과 지도자 양성을 지원하는 석좌교수직을 신설하는 데 쓰인다.

아시아인 환자의 생물학적 특성을 연구하는 이유

싱가포르의 중국계·말레이계·인도계 공동체는 연구자들이 다양한 아시아인 집단의 심혈관질환을 살펴볼 수 있는 기회를 제공한다. 데릭 하우즐로이 CIPHER 소장은 이러한 다양성을 통해 아시아인 환자를 하나의 생물학적 범주로 취급하는 대신, 특정 민족 집단에서 질환이 어떻게 나타나는지 연구할 수 있다고 말했다.

연구진은 이런 차이를 유발하는 과정을 밝혀내려 한다. 질환 모델을 이용하면 심장세포의 작용, 에너지 사용 방식, 약물에 대한 반응을 살펴볼 수 있다. 이러한 관찰은 약물이 변화를 일으킬 수 있는 생물학적 과정인 치료 표적을 찾는 데 도움이 될 수 있다.

필요성은 크다. 출범 행사에서 인용된 수치에 따르면 싱가포르에서는 심장질환과 뇌졸중으로 하루 약 23명이 사망하며, 2025년에는 심혈관질환이 전체 사망의 3분의 1을 차지할 것으로 추산됐다. CIPHER의 과제는 환자의 생물학적 특성을 더 정밀하게 이해해 실제 진료에 유용한 선택지로 연결하는 것이다.

혈액세포가 박동하는 심장세포가 되기까지

연구진은 재프로그래밍이라는 과정을 통해 분화된 세포를 유도만능줄기세포로 바꾼다. 이 줄기세포는 심장근육세포를 비롯한 다른 세포 유형으로 분화하도록 유도할 수 있다. 쉽게 말해 과학자들이 먼저 세포의 정체성을 초기화한 뒤 다른 역할을 하도록 이끄는 것이다.

따라서 혈액 샘플을 이용하면 심장 조직을 직접 떼어내지 않고도 환자의 심장질환을 연구할 수 있다. 이렇게 만들어진 세포에는 환자의 유전적 배경이 유지되며, 실험실에서 환자 질환의 특징을 재현할 수 있다.

라마찬드라는 이 접근법의 가치를 다음과 같이 설명했다.

“환자 본인의 혈액에서 심장근육세포를 배양해 접시 안에서 박동을 관찰하면, 그 세포에는 환자의 질환이 담겨 있습니다. 어떤 동물 모델로도 재현할 수 없는 것을 보는 셈입니다.”라고 크리샨은 말했다.

혈액 샘플을 활용하면 환자에게서 검체를 채취하기도 쉬워진다. 라마찬드라는 2023년 12월, 피부 샘플 채취는 침습적이고 작은 흉터를 남길 수 있어 팀이 해당 방식을 중단했다고 설명했다. 대신 환자가 검진을 받으러 왔을 때 혈액을 채취할 수 있다.

연구의 출발점이 된 40종 이상의 모델

NHCS는 환자에게서 유래한 40종 이상의 모델을 개발했으며, 이는 CIPHER 연구 프로그램의 토대가 된다. 모델에는 심부전, 부정맥 유발 질환, 심근병증 등이 포함된다.

심부전은 심장이 신체의 필요만큼 효율적으로 혈액을 공급하지 못하는 상태다. 심근병증은 심장근육에 생기는 질환으로, 심장근육이 늘어나거나 두꺼워지거나 뻣뻣해질 수 있다. 이런 변화는 혈액을 펌프질하기 어렵게 만든다.

연구진이 설명한 유전성 부정맥 유발 질환에서는 심장근육세포가 제대로 결합하지 못하고, 점차 흉터 조직과 지방으로 대체된다. 이러한 변화는 심장 박동을 조율하는 전기 신호를 방해할 수 있다.

여러 질환을 아우르는 모델 라이브러리는 과학자들에게 다양한 연구 방법을 제공한다. 세포에서 어떤 문제가 생기는지 살펴보고, 잠재적 치료제에 대한 반응을 비교하며, 더 나은 반응과 관련된 생물학적 특징을 찾을 수 있다.

환자가 복용하기 전에 약물을 시험하다

하우즐로이 소장은 CIPHER의 세포 플랫폼을 약물 시험과 심장 기능 및 대사에 미치는 영향 연구에 활용할 수 있다고 말했다. 대사는 세포가 에너지를 얻고 사용하는 화학적 과정이다. 목표는 어떤 환자에게 효과가 있을지 파악하는 등 치료법을 더욱 정밀하게 찾아내는 것이다.

한 환자에게 도움이 되는 약이 다른 환자에게는 효과가 낮을 수 있다. 환자의 샘플에서 배양한 세포에 약물을 시험하면, 효과가 없는 약이나 원치 않는 부작용에 환자가 노출되기 전에 이런 차이를 연구하는 데 도움이 될 수 있다.

이 맥락에서 맞춤 치료란 개인의 생물학적 특성에 더 잘 맞도록 진료를 조정하는 것을 뜻한다. 같은 연구는 더 넓은 목적에도 기여할 수 있다. 많은 환자가 공유하는 질환 기전을 찾아내면 더 큰 환자 집단에 유용한 치료법으로 이어질 수 있다.

출범 발표에는 CIPHER의 모델이 통상적인 처방에 활용되거나 새로운 승인 치료제로 이어질 시점이 제시되지 않았다. 당장의 연구는 질환을 이해하고 잠재적 치료법을 시험하는 데 초점을 둔다.

미니어처 심장 챔버가 더해 주는 연구 가치

CIPHER는 임상 단계 바이오제약회사 메데라와 함께 손가락 끝 크기의 생체공학 인간 심실 챔버인 ‘인간 심장 인 어 자(Human Heart-in-a-Jar)’도 개발하고 있다. 심실은 심장의 주요 펌프실 가운데 하나다. 이 미니어처 모델은 심장질환의 일부 특성을 재현하도록 설계됐다.

2023년 12월 소개된 앞선 연구는 NHCS와 줄기세포 생명공학회사 노보하트가 함께 진행했다. 이 프로젝트는 아시아인 심부전 환자의 혈액에서 배양한 세포를 이용해 미니어처 모델을 만드는 데 초점을 뒀다.

제작 과정에서는 세포 주변에 물리적 구조물을 더한다. 연구진은 콜라겐과 지지 물질이 포함된 젤에 세포를 넣은 뒤, 틀에 맞춰 혼합물을 성형한다. 세포가 조직을 형성하고 틀을 제거하면 박동하고 혈액을 펌프질할 수 있는 빈 공간의 챔버가 남는다.

이 챔버를 이용하면 접시 안의 개별 세포가 박동하는 모습 외에도 여러 지표를 측정할 수 있다. 심장의 혈액 순환 기능과 직접 관련된 수축·이완·압력을 살펴볼 수 있다. CIPHER 출범 행사에서 이 미니어처 모델은 아시아 최초로 소개됐다.

혈액을 채우는 데 어려움을 겪는 심장에 초점

2023년 12월 소개된 프로젝트는 박출률 보존 심부전을 대상으로 했다. 이 질환은 심부전 사례의 절반을 차지하는 것으로 알려져 있다. 박출률은 심실이 한 번 박동할 때마다 내보내는 혈액의 비율을 뜻한다.

이 유형의 심부전에서는 박출률이 정상 범위에 머물 수 있지만, 심장근육이 너무 뻣뻣해 제대로 이완하거나 혈액을 채우지 못한다. 따라서 심장이 비교적 잘 수축하더라도 신체의 필요를 충족할 만큼 혈액을 내보내지 못할 수 있다.

수축과 이완을 하는 미니어처 챔버는 이 문제를 연구하는 데 도움이 된다. 연구진은 압력 측정과 기타 관찰 결과를 통해 질환을 더 정밀하게 재현하고 유망한 약물을 찾아낼 수 있기를 기대한다.

NHCS는 아시아인 심부전 환자를 위한 신약 발굴 연구를 위해 과학기술연구청으로부터 500만 달러 규모의 산업협력기금(Industry Alignment Fund – Industry Collaboration Project) 지원을 받았다. 2023년 12월 자료에 따르면 심부전은 공립병원 심장질환 입원의 17%를 차지해 임상적 필요의 규모를 보여준다.

2009년으로 거슬러 올라가는 연구의 뿌리

CIPHER의 기반이 된 연구는 새 센터가 문을 열기 훨씬 전부터 시작됐다. NHCS는 9월 15일 발표한 2011년 연구 발표에서 바이러스를 사용하지 않는 방법으로 환자의 피부세포를 유도만능줄기세포로 만든 뒤, 박동하는 심장근육세포를 생성했다고 밝혔다.

이 프로젝트는 2009년부터 진행됐다. 임상의과학자 3명과 연구과학자 5명을 포함한 15명으로 팀을 꾸렸으며, 5년에 걸쳐 국가연구재단에서 900만 달러에 가까운 지원금을 받았다. NHCS는 질환 모델링과 맞춤형 약물 시험을 잠재적 활용 분야로 제시했다.

• 2009년: NHCS 연구팀이 이후 공식 발표에서 소개된 줄기세포 프로젝트를 시작했다.
• 2011년 9월 15일: NHCS가 환자의 피부에서 생성한 박동 심장세포를 발표했다.
• 2023년 12월 4일: 아시아인 환자와 박출률 보존 심부전에 초점을 맞춘 미니어처 심장 프로젝트가 소개됐다.
• 10월 16일: 환자 유래 모델 40종 이상을 연구 기반으로 하는 CIPHER가 출범했다.

2011년 발표는 싱가포르에서 매년 약 5,000건의 심부전 입원이 발생하고, NHCS가 그중 약 1,000건을 치료한다고 추산했다. 이 과거 수치는 연구자들이 손상된 심장근육과 개인별 약물 반응을 연구하는 방법을 찾은 이유를 보여준다.

외과 연구를 지원하는 250만 달러 기부

싱헬스-듀크-NUS 학술의료센터도 출범 행사에서 통 밍 추안 심장흉부외과 석좌교수직을 발표했다. 통 씨가 기부한 250만 달러로 설립된 이 교수직은 듀크-NUS 의과대학의 심혈관과학 임상학술 프로그램에 따라 수여된다.

심장흉부 및 혈관외과 전문의인 통 씨는 마운트 엘리자베스 메디컬센터에서 개원 중이며 NHCS 객원 컨설턴트로 활동하고 있다. 그는 1981년부터 1992년까지 싱가포르 종합병원에서 근무하며 심장 수술의 선구적 발전에 기여했다. 1990년 싱가포르 최초의 심장이식에 참여했고, 2000년 첫 폐이식을 시행한 팀에도 합류했다.

석좌교수직은 외과 연구와 임상적 탁월성을 지원하고 차세대 외과 지도자를 양성하는 것을 목표로 한다. NHCS 최고경영자 여 쿵 키옹은 석좌교수직과 CIPHER가 상호 보완적인 약속이라고 설명했다. 하나는 과학 연구를 환자의 생물학적 특성에 기반하게 하고, 다른 하나는 연구 성과를 진료에 적용할 외과의를 양성한다는 것이다.

CIPHER를 출범시킨 통 키앗 하우 보건부 선임 국무장관은 이번 연구가 예방과 조기 개입을 강화하고 사람들이 건강과 자립을 유지하도록 돕는 싱가포르의 큰 목표에 부합한다고 말했다. 그는 혁신의 가치를 다음과 같이 설명했다.

혁신은 이러한 전환을 뒷받침할 수 있지만, 그 가치는 기술이 얼마나 정교한지로 판단하지 않습니다. 환자에게 무엇을 바꾸는지로 판단합니다.

핵심 내용

• CIPHER는 인간 줄기세포 모델을 활용해 아시아인의 심혈관질환을 연구하기 위해 10월 16일 문을 열었다.
• 혈액 5ml로 줄기세포를 만든 뒤 박동하는 심장근육세포로 분화시킬 수 있다.
• NHCS의 환자 유래 모델 40종 이상이 센터 연구의 기반을 이룬다.
• 미니어처 심장 챔버로 펌프 기능과 이완, 압력을 연구하고 잠재적 치료제를 시험할 수 있다.
• NHCS는 2011년 9월 피부세포에서 박동하는 심장세포를 만든 연구를 발표했다.
• 별도의 250만 달러 기부로 통 밍 추안 심장흉부외과 석좌교수직이 신설됐다.