줄기세포능(Stemness)의 조절이 종양의 생성과 발전, 치료에 미치는 영향
2019-02-08
org.kosen.entty.User@516ba162
홍준영(jyhong153)
줄기세포능(Stemness)의 조절이 종양의 생성과 발전, 치료에 미치는 영향
1. 개요
대부분의조직은손상을입었을때이를회복시킬수있는능력을갖고있는데, 이는조직내에존재하는줄기세포때문이다. 줄기세포는조직에서오래동안생존하며, 자가복제(self-renewal)하는능력을가지는데, 조직의손상과같은상황에서다시분화과정을거쳐필요한세포군을다시만들고채우게된다. 줄기세포의자가복제, 분화와같은과정은매우세밀하게조절이되는데, 이는줄기세포의적소(Stem cell niche)라는특수환환경에서니치(Niche) 세포와의상호작용을통하여결정된다.
조혈모체계(Hematopoietic system)와장표피조직(Intestinal epithelium)에서줄기세포에관한많은연구가진행되어왔는데, 줄기세포가분화되는과정에서다분화능력을가지고증식할수있는전구세포(Progenitor cells)가만들어지지만이들은자가복제하는능력이없음이확인되었고, 대칭분열혹은비대칭분열에의해서자가복제를할수있는세포만이줄기세포로인정되었다. 그리고줄기세포가지속적으로자가복제를할수있도록하는세포내의신호전달체계등이밝혀졌고, 이러한체계가곧줄기세포능(stemness)라는개념으로이해되었다. 지속적인연구를통해줄기세포능은분화와증식을일으키는신호전달체계와는많이다를뿐아니라, 많은부분에서상호억제하고있다는점이밝혀졌다.
종양생물학의발전에따라암줄기세포이론이제안이되었다. 이는종양세포의증식은종양내부에존재하는소량의암줄기세포가지속적으로암세포를공급한다는이론이다. 이는, 임상적으로이미잘알려진화학요법이나방사능요법후, 종양이휴지기(Dormant)에들어섰다가다시재발하고전이가되는현상을기반으로제안되었는데, 백혈병, 유방암, 대장암, 뇌암등에서실제로줄기세포의성질을띠는암세포의발견으로공고해졌다. 보다최근의연구에서는실제적으로세포를추적하고특정세포의사멸을유도할수있는기술을통하여, 암줄기세포가일반줄기세포와마찬가지로줄기세포적소를갖고있다는부분이알려졌고, 엄격한분화위계질서(Hierarchy)를갖지않는종류의암에서도암줄기세포가존재할수있다는점도밝혀졌다. 또한이와같은기술을통하여, 줄기세포의성질을띠지않는암세포의경우, 다른숙주에이식되었을때, 생존하지못하였지만, 줄기세포의성질을띠는암세포의경우, 이식후생존하고증식할수있음이밝혀졌다. 이와같은연구를기반으로종양내존재하는세포의이질성의많은부분이단지유전적인돌연변이의다양성때문이아니라, 암줄기세포가분화위계질서를통해만들어내는암세포들이다양한종류의상태에있기때문일것임이제안되었다. 따라서암줄기세포는지속적으로암의증식을일으키는능력이있어암의치료를어렵게만들뿐아니라, 암줄기세포를통해분화된암세포들이다양성으로인한종양내이질성때문에암의치료가더어려워질수있음이제안되었다. 따라서암줄기세포의줄기세포능과분화과정의조절이어떻게암의증식과발전, 전이와치료에저항성에영향을미치는지이해하는것이중요하다. 본보고서에서는이와같은부분을논의하고자한다.
2. 줄기세포능이 종양의 생성과 발전에 미치는 영향
2.1. 줄기세포능의 조절과 이질적 종양 발달에 미치는 영향
종양 생물학의 지속적인 발전을 통해 종양내 이질성이 종양의 시작과 발전, 치료에 대한 저항성과 환자의 생존에 큰 영향을 준다는 것이 밝혀졌다.이러한 종양내 이질성은, 다양한 돌연변이에 의한 유전적인 다양성에 기인하기도 하지만,동시에 암세포가 다양한 후성유전학적(Epigenetic)인 상태로 존재하고 있기 때문이라고도 할 수 있다. 어떻게 암이 시작되면서 종양내 이질성이 생성되는 지에 관하여 크게 두가지의 모델이 제안되었는데, 첫번째는 분화위계질서를 갖는 종양 발전 모델이고, 또하나는 무작위성에 의한 종양 발전모델이다. 분화위계질서 모델에서는 종양 줄기 세포는 일반적인 줄기세포나 전구세포가 돌연변이를 획득하여 생성이 된다. 이러한 종양 줄기세포는 자가복제를 할 수 있으며, 오랜 기간동안 자신과 같은 클론을 만들어 낼수 있고, 분화를 통해, 자신보다 짧게 생존하는 자식 세포를 만들어 낼 수 있다. 이러한 모델은 주로 백혈병의 이질적 종양의 발병과정을 잘설명해줄 수 있었다. 무작위성에 의한 종양 발전모델에서는 분화가 종료된 세포중 돌연변이에 의해서 자가 증식 능력이 크게 증가된 경우에, 무작위적인 변화에 의해서 분화가 되기이전의 줄기세포의 성질을 획득하여 암줄기세포가 될수 있다는 모델이다. 이 모델은 종양 내부에 존재하는 다양한 돌연변이를 가지는 다양한 클론이 존재한다는 사실이 뒷받침되며, 주로 대장암의 이질적 종양 발병등을 잘 설명할 수 있다.최근의 연구를 통해서 이 두모델이 서로 상호배타적인 것이 아니며, 분화된 암세포가 다시 줄기세포능을 띠는 형태로 변할 수 있다는 실험적인 증명을 통하여, 서로 연결될 수 있음이 보여졌다.현재까지도 정확한 모델에 대한 연구는 학계에서 지속적으로 이루어지고 있어 결론을 내리기 어렵지만, 확실한 사실은 암줄기세포가 이질적 종양의 발달에 큰 영향을 미치며 종양의 치료를 어렵게 만드는 중요한 원인이라는 점이다[1].
2.2. 줄기세포능을 조절하는 신호전달체계
여전히 어떠한 방식으로 암줄기세포가 발생하는 지에 대한 정확한 모델은 지속적인 연구 과정가운데 있으나, 줄기세포의 성질을 띠고 있으면서 지속적으로 암세포를 분화와 증식을 유도하는 세포가 있다는 부분은 이미 많은 보고를 통해 인정되고 있다. 이들은 암세포이기에 획득된 돌연변이로 인하여 기존의 정상세포가 갖고 있지 않은 비정상적인 신호전달체계를 가지는 부분이 있다. 그럼에도 불구하고, 비정상적으로 변화된 신호전달체계가 결국, 기존의 정상 줄기세포의 유지와 발달, 분화를 조절하는 신호전달계에 영향을 미쳐 암줄기세포의 기능을 갖게 된다고 할 수 있다. 이러한 신호전달계는 태아시기의 발달과 성체 줄기세포의 자가 복제와 분화에 영향을 주는, Notch, Hedgehog, Wnt 신호 전달계인데, 암 세포의 돌연변이에 의한 NF-κB와 같은 염증반응이나 세포의 증식을 일으키는 PI3K, EGF와 같은 신호전달계가 이들 신호전달계와 상호작용을 통해 암 줄기세포의 자가복제와 증식, 분화에 영향을 준다. 이를 바탕으로 Notch, Hedgehog, Wnt 신호전달계를 타겟팅하는 억제제가 다양한 종류의 암에서 시험되었는데, 전임상 단계의 동물모델에서 종양의 생성과 발전, 종양의 재발을 억제하는 효과가 있었다[2].
2.3. 줄기세포능과 종양줄기세포 적소
줄기세포 적소는 해부학적으로 구분된 미세환경으로 줄기세포의 생존과 자가 복제, 분화와 증식이 이루어지는 곳이다. 종양줄기세포 역시 일반적인 줄기세포와 마찬가지로 종양미세환경에서 종양줄기세포 적소를 가진다.종양줄기세포는 종양줄기세포의 자가복제에 영향을 주는 인자들이 생산될 뿐아니라, 신생혈관의 생성, 면역 세포와 기저 세포의 유입등을 일으키는 인자들이 생산되어, 암세포의 침투와 전이에도 큰 영향을 준다.
2.2.1.종양 연관 섬유아세포(Cancer-associated Fibroblast)
줄기세포 적소에는 먼저, 종양 연관 섬유아세포가 존재한다. 일반적인 섬유아세포가 종양미세환경에 내입한 후, 종양 미세환경의 다양한 인자들에 의해서 종양 연관 섬유아세포로 바뀌어질 수 있는데, 일반적인 섬유아세포와 비교해서, 세포외기질(Extracellular matrix)을 많이 만들며, VEGF, PDGF와 같은 혈관과 기저세포를 성장시키는 성장인자를 많이 만든다. 무엇보다,종양 연관 섬유아세포는 Notch와 Wnt신호전달계를 활성화시켜서 종양줄기세포의 줄기세포능을 강화시킨다. 또한 줄기세포가 아닌 비종양줄기세포도 Wnt의 활성화나 Notch의 활성화를 통해 역분화가 되어 줄기세포의 성질을 가질수 있게 될 수 있다는 보고가 있었다. 이를 통해 종양연관 섬유아세포가 줄기세포 적소에서 종양줄기세포의 기능 유지에 중요한 역할을 함을 알 수 있다[3].
2.2.2.중간엽 줄기세포(Mesenchymal stem cell)
중간엽 줄기세포도 종양줄기세포 적소에 유입이 되게 되면, 종양 줄기세포의 줄기세포능에 영향을 준다. 먼저 CXCL12, IL-6 와 같은 사이토카인과 키모카인의 분비를 통해 NF-kB의 활성화를 일으키고 이는 줄기세포능을 강화시키게 된다. 또한 중간엽 줄기세포는 BMP의 억제제를 분비함으로 종양줄기세포가 줄기세포능을 유지하고 분화가 되지 않도록 한다[3].
2.2.3.염증성 세포 (Inflammatory cells)
종양 미세환경과 종양줄기세포 적소에는 다양한 종류의 면역세포가 내입되어 있다. 대표적인 종양연관 대식세포(Tumor-associated macrophage)와 종양 연관 호중구(Tumor-associated neutrophils)는 다양한 종류의 면역 억제 물질을 발현하고, 신생혈관의 생성을 촉진하는 다양한 물질을 만들어낸다. 이들 세포가 만들어내는 물질은 상피-중간엽 이행(Epithelial-to-mesenchymal transition(EMT))과정을 일으켜 암세포가 그 과정에서 줄기세포능을 강화하게 만든다. 또한 이들이 분비하는 TGF-b와 같은 사이토카인은 줄기세포능과 자가복제를 강화한다[3].
2.2.4.종양줄기세포 적소내의 비세포적인 환경
종양줄기세포 적소는 종양 미세환경과 마찬가지로 빠르고 증식하는 암세포의 존재로 인해, 저산소의 상태가 된다. 이러한 저산소증 (Hypoxia)는 활성산소에 의한 스트레스 반응을 유도하여, 종양 줄기세포의 생존으ㅔ 도움을 준다. 또한 이 과정에서 활성화되는 Wnt에 의해 줄기세포능이 강화된다. 또한 종양줄기세포 적소의 세포외 기질역시 영향을 주는 데, 이곳에서 만들어지는 세포외기질을 분해하는 MMP효소는 Wnt 신호전달을 활성화시키고 줄기세포능을 강화시킨다[3].
3. 줄기세포능의 조절이 종양의 전이에 미치는 영향
3.1. 줄기세포능과 전이성 종양의 조절
줄기세포능을 갖는 암줄기세포는 전이를 일으킬 수 있는 능력을 가지고 있다는 것이 여러 연구를 통해 보여졌다. 유방암 환자의 혈액에서 줄기세포의 성질을 띠는 종양세포를 분리하여 면역결핍 마우스에 주사하자, 뼈와 간과 폐에 암의 전이가 일어났다. 암에서의 대량의 유전자 분석을 통하여 전이를 일으킬 수 있는 암의 유전체가 분석되었는데, 전이암의 유전체와 암줄기세포의 유전체와 많은 부분 닮아 있다는 것이 확인되었다. 대장암의 암세포를 표지하여 추적하는 연구에서는, 전이를 일으키는 암은 오랫동안 자가복제를 할 수 있는 능력을 가졌으며, 또한 휴지기에 들어갈 수 있어,화학요법에 저항성을 가질 수 있음이 보여졌다.
전이성 종양은 반드시 말기암의 상태에서만 발생하는 것은 아니며, 이른 시기에도 발생할 수 있다.그러나 혈액에서 순환하는 암세포중0.02% 이하만이 생존할만큼 암의 전이는 효율적인 과정은 아니다. 일단 다른 조직에 암세포가 내입하여 뿌리를 내리게 되면, 오랜 시간 동안 증식하지 않는 휴지기에 들어갈 수 있다. 이와 같은 이유로, 암의 치료가 완전히 끝난 몇 년 후에 갑작스러운 암의 재발이 생길 수 있는 것이다. 전이암의 유전체와 암줄기세포의 유전체가 많은 부분 닮아 있는 이유는, 생존에 적대적인 다른 조직에 암이 처음 뿌리 내린 이후에, 오랫동안 생존하기 위해서는 생존과 관련된 신호전달계가 활성화되어야 하는데, 이 신호전달계가 많은 부분 줄기세포능을 조절하는 신호전달계과 중복되고 연결되어 있기 때문이다[4].
종양 줄기세포 적소와 마찬가지로 전이성 암의 줄기세포 역시 적소가 존재한다. 이때의 줄기세포 적소는 암세포가 다른 조직에도 잘 퍼져나가며 생존할 수 있도록 돕는 역할을 한다. 이 줄기세포 적소에서 나오는 인자에서 줄기세포능을 유지할 수 있도록 돕는 물질이 생성되며, 신생 혈관의 생성을 일으키는 인자와,항종양 면역 반응을 억제하는 인자가 생산된다[3].
3.2. 상피-중간엽 이행(Epithelial-Mesenchymal Transition; EMT)과 줄기세포능의 조절
상피-중간엽 이행은 태아의 발달시기에 신경관 발달 과정등에서 일어나는 과정이다.이 과정을 통해서 상피세포의 성질을 띠고 있는 세포가 극성(polarity)를 잃어버리고 상피세포의 표지자인 E-cadherin등을 잃어버리고, vimentin과 fibronectin과 같은 중간엽 세포의 표지자를 발현하게 된다. 이 과정은 태아 시기의 발달 뿐아니라, 상처 치유(Wound healing)과정이나 암세포의 전이 과정에서도 일어나게 된다. 특별히 암세포에서 상피-중간엽 이행이 일어나게 되면, 암세포의 이동성이 크게 증가되어져 멀리 떨어진 조직에 퍼져나갈 수 있게 된다.
최근 연구를 통하여, 상피-중간엽 이행의 과정을 통하여,암세포가 단지 멀리 퍼져나갈 수 있을 뿐 아니라, 훨씬 상태 변화를 쉽게 할 수 있는 가소성(plasticity)를 갖게 됨이 보여졌다. 이는 상피-중간엽 이행의 과정을 통해 암세포가 줄기세포능을 획득하기 때문이다. 현재 여러 연구를 통해서,상피-중간엽 이행과 줄기세포능, 전이암의 생성 능력과의 상관관계가 보여졌다. 또한 상피-중간엽 이행의 과정을 일으키는 전사인자인 Zeb1이 발현되면, 상피세포의 표지자가 감소함과 동시에 줄기세포능이 증가가 되는 현상을 보고하였다. 이를 통해 상피-중간엽 이행의 과정과 줄기세포능과는 직접적인 관계가 있다는 것을 알 수 있다[4].
4. 암줄기세포를 타겟으로 하는 종양의 치료
암줄기세포는 전통적인 치료 방법인 방사능 치료나 화학요법에 대한 저항성을 가진다. 이는 이들 세포가 휴지기 상태에 있어서 이 치료 방식이 암세포를 죽이는 기전에 제대로 반응하지 않기 때문이다. 현재 확실한 분화 위계질서를 보여주는 백혈병과 같은 조혈조직의 암 뿐만 아니라 흑색종과 같이 명확한 분화 위계질서를 보여주지 않는 암에 이르기까지,다양한 종류의 화학요법에 저항성을 가지는 세포 주기(Cell cycle)에 들어가지 않는 휴지기 상태의 암 줄기세포가 관찰되었다. 또한 이들 암 줄기세포는 화학요법이 끝났을 때,다시 재발되는 양상을 나타내주었다. 따라서, 현재의 화학요법이 표적으로하는 빠르게 증식하는 암세포외에, 암 줄기 세포를 타겟으로 하는 치료법의 개발이 필요하다.
최근의 가장 큰 효과를 보여준 예는 백혈병에서all-trans 레티노산(retinoic acid)를 이용한 피료법이다. 이는 레티노산이 암줄기세포의 분화를 촉진할 수 있다는 점에서 시작된 치료법인데, 큰 효과를 거두었고, 현재 급성 promyelocytic 백혈병에서 새로운 치료 표준으로 사용되고 있다. 이의 성공은 다른 종류의 후성유전학적인 치료법의 개발을 촉진시켰다. 한 예로, lysine 특이적인 demthylase인 LSD1이 암 줄기세포의 줄기세포능의 조절에 관여한다는 점에 착안하여 이를 조절하는 약물이 개발되었는데, 이는 암줄기세포의 분화를 촉진하였고, 큰 부작용 없이 백혈병의 완화를 가져왔다.현재 다양한 HDAC 억제제 역시 미국 식약청의 승인을 받은 상태이고,다른 종류의 후성유전학적인 약물도 임상 시험 단계에 있다.
한편 암 줄기세포에 특이적인 세포막 표지자를 타겟으로하는 항체 약물의 경우, 여러 시험이 진행되었지만,효능과 독성 모두에서 좋지 않는 결과를 가져왔다. 보다 나은 치료를 위해서 보다 엄밀하고 정확한 암줄기세포 특이적인 표지자를 찾는 일이 선행되어야 할 것으로 보인다. 또 다른 접근 방법 으로, 암 줄기세포 적소를 타겟으로 하는 다양한 종류의 약물이 개발이 되었다. 이는 줄기세포 적소가 줄기세포능을 관장하는 Wnt 와 Notch등의 신호전달계를 조절한 다는 점에 착안하여, 이를 억제하는 방식인데, 전 임상 시험에서 훌륭한 효능을 보여주었고, 현재 임상시험 단계에 있다. 그러나 말기암으로 진행될수록, APC, KRAS, TP53, SMAD4와 같은 유전자의 돌연변이가 생긴 암이 발생하기도 하는데, 이러한 돌연변이는 자체적으로 줄기세포능을 강화시키는 신호전달계가 활성화되어 있어, 줄기세포 적소에 대한 의존성이 낮아지게 된다. 따라서 말기암과 전이 상태에 있는 암일수록, 줄기세포적소보다는 암세포 자체의 줄기세포능을 타겟으로 하는 것이 효과적이라고 할 수 있다.
5. 결론
암은 현대인의 주요 사망 원인 중 한 가지이다. 현재 많은 연구에도 불구하고, 암의 완전한 치료가 쉽지 않은 이유는 암이 복잡한 병리학적인 특성을 갖고 있기 때문이다. 이는 또한 많은 부분 유전적 돌연변이 뿐 아니라, 암세포들이 다양한 후성유전학적인 특성을 보여주어 환자간 종양의 이질성,그리고 같은 환자에서도 암 세포간 종양내 이질성이 존재하기 때문이다. 암 줄기세포는 종양내 이질성을 일으키는 중요한 원인 중 한 가지이며, 완전한 치료를 막는 가장 큰 장애물이다.이는 화학요법이나 방사능 요법으로 빠르게 증식하는 암세포를 사멸시킨다 할지라도, 암 줄기세포는 휴지기 상태로 오랫동안 살아남아 암을 재발시킬 수 있기 때문이다. 또한 암 줄기세포는 암의 전이에도 큰 역할을 한다. 암 세포에서 줄기세포능의 강화는 암의 전이가 일어나는 데 필수적인 과정이며,항종양면역 반응을 어렵게 만든다. 이를 통해 볼 때, 암의 치료를 위해서 암줄기세포를 타겟으로 하며, 암 세포의 줄기세포능을 조절하는 신호전달계를 타겟으로 하는 새로운 방식의 치료방법이 필요하다고 할 수 있다. 이는 각광 받고 있는 항암 면역 요법과는 전혀 다른 접근 방법을 사용하고 있기 때문에 병용 치료가 가능할 것이다. 더 많은 연구를 통해 암줄기세포의 줄기세포능을 타겟으로 하는 뛰어난 약물이 개발된다면, 현재 어려움을 겪고 있는 암의 재발과 암의 전이를 막는 뛰어난 치료제가 될 수 있을 것이다.
References
1. Batlle, E. and Clevers, H. Cancer stem cells revisited. Nat Med 23: 1124-1134. 2017.
2. Takebe, N. et al., Targeting Notch, Hedgehog, and Wnt pathways in cancer stem cells: clinical update. Nat Rev Clin Oncol. 12: 445–464. 2015.
3. Plaks, V. et al., The cancer stem cell niche. Cell Stem Cell 16: 225-238. 2015.
4. Weidenfeld, K. and Barkan, D. EMT and stemness in tumor dormancy and outgrowth. Front Oncol 8: 381. 2018.
1. 개요
대부분의조직은손상을입었을때이를회복시킬수있는능력을갖고있는데, 이는조직내에존재하는줄기세포때문이다. 줄기세포는조직에서오래동안생존하며, 자가복제(self-renewal)하는능력을가지는데, 조직의손상과같은상황에서다시분화과정을거쳐필요한세포군을다시만들고채우게된다. 줄기세포의자가복제, 분화와같은과정은매우세밀하게조절이되는데, 이는줄기세포의적소(Stem cell niche)라는특수환환경에서니치(Niche) 세포와의상호작용을통하여결정된다.
조혈모체계(Hematopoietic system)와장표피조직(Intestinal epithelium)에서줄기세포에관한많은연구가진행되어왔는데, 줄기세포가분화되는과정에서다분화능력을가지고증식할수있는전구세포(Progenitor cells)가만들어지지만이들은자가복제하는능력이없음이확인되었고, 대칭분열혹은비대칭분열에의해서자가복제를할수있는세포만이줄기세포로인정되었다. 그리고줄기세포가지속적으로자가복제를할수있도록하는세포내의신호전달체계등이밝혀졌고, 이러한체계가곧줄기세포능(stemness)라는개념으로이해되었다. 지속적인연구를통해줄기세포능은분화와증식을일으키는신호전달체계와는많이다를뿐아니라, 많은부분에서상호억제하고있다는점이밝혀졌다.
종양생물학의발전에따라암줄기세포이론이제안이되었다. 이는종양세포의증식은종양내부에존재하는소량의암줄기세포가지속적으로암세포를공급한다는이론이다. 이는, 임상적으로이미잘알려진화학요법이나방사능요법후, 종양이휴지기(Dormant)에들어섰다가다시재발하고전이가되는현상을기반으로제안되었는데, 백혈병, 유방암, 대장암, 뇌암등에서실제로줄기세포의성질을띠는암세포의발견으로공고해졌다. 보다최근의연구에서는실제적으로세포를추적하고특정세포의사멸을유도할수있는기술을통하여, 암줄기세포가일반줄기세포와마찬가지로줄기세포적소를갖고있다는부분이알려졌고, 엄격한분화위계질서(Hierarchy)를갖지않는종류의암에서도암줄기세포가존재할수있다는점도밝혀졌다. 또한이와같은기술을통하여, 줄기세포의성질을띠지않는암세포의경우, 다른숙주에이식되었을때, 생존하지못하였지만, 줄기세포의성질을띠는암세포의경우, 이식후생존하고증식할수있음이밝혀졌다. 이와같은연구를기반으로종양내존재하는세포의이질성의많은부분이단지유전적인돌연변이의다양성때문이아니라, 암줄기세포가분화위계질서를통해만들어내는암세포들이다양한종류의상태에있기때문일것임이제안되었다. 따라서암줄기세포는지속적으로암의증식을일으키는능력이있어암의치료를어렵게만들뿐아니라, 암줄기세포를통해분화된암세포들이다양성으로인한종양내이질성때문에암의치료가더어려워질수있음이제안되었다. 따라서암줄기세포의줄기세포능과분화과정의조절이어떻게암의증식과발전, 전이와치료에저항성에영향을미치는지이해하는것이중요하다. 본보고서에서는이와같은부분을논의하고자한다.
2. 줄기세포능이 종양의 생성과 발전에 미치는 영향
2.1. 줄기세포능의 조절과 이질적 종양 발달에 미치는 영향
종양 생물학의 지속적인 발전을 통해 종양내 이질성이 종양의 시작과 발전, 치료에 대한 저항성과 환자의 생존에 큰 영향을 준다는 것이 밝혀졌다.이러한 종양내 이질성은, 다양한 돌연변이에 의한 유전적인 다양성에 기인하기도 하지만,동시에 암세포가 다양한 후성유전학적(Epigenetic)인 상태로 존재하고 있기 때문이라고도 할 수 있다. 어떻게 암이 시작되면서 종양내 이질성이 생성되는 지에 관하여 크게 두가지의 모델이 제안되었는데, 첫번째는 분화위계질서를 갖는 종양 발전 모델이고, 또하나는 무작위성에 의한 종양 발전모델이다. 분화위계질서 모델에서는 종양 줄기 세포는 일반적인 줄기세포나 전구세포가 돌연변이를 획득하여 생성이 된다. 이러한 종양 줄기세포는 자가복제를 할 수 있으며, 오랜 기간동안 자신과 같은 클론을 만들어 낼수 있고, 분화를 통해, 자신보다 짧게 생존하는 자식 세포를 만들어 낼 수 있다. 이러한 모델은 주로 백혈병의 이질적 종양의 발병과정을 잘설명해줄 수 있었다. 무작위성에 의한 종양 발전모델에서는 분화가 종료된 세포중 돌연변이에 의해서 자가 증식 능력이 크게 증가된 경우에, 무작위적인 변화에 의해서 분화가 되기이전의 줄기세포의 성질을 획득하여 암줄기세포가 될수 있다는 모델이다. 이 모델은 종양 내부에 존재하는 다양한 돌연변이를 가지는 다양한 클론이 존재한다는 사실이 뒷받침되며, 주로 대장암의 이질적 종양 발병등을 잘 설명할 수 있다.최근의 연구를 통해서 이 두모델이 서로 상호배타적인 것이 아니며, 분화된 암세포가 다시 줄기세포능을 띠는 형태로 변할 수 있다는 실험적인 증명을 통하여, 서로 연결될 수 있음이 보여졌다.현재까지도 정확한 모델에 대한 연구는 학계에서 지속적으로 이루어지고 있어 결론을 내리기 어렵지만, 확실한 사실은 암줄기세포가 이질적 종양의 발달에 큰 영향을 미치며 종양의 치료를 어렵게 만드는 중요한 원인이라는 점이다[1].
2.2. 줄기세포능을 조절하는 신호전달체계
여전히 어떠한 방식으로 암줄기세포가 발생하는 지에 대한 정확한 모델은 지속적인 연구 과정가운데 있으나, 줄기세포의 성질을 띠고 있으면서 지속적으로 암세포를 분화와 증식을 유도하는 세포가 있다는 부분은 이미 많은 보고를 통해 인정되고 있다. 이들은 암세포이기에 획득된 돌연변이로 인하여 기존의 정상세포가 갖고 있지 않은 비정상적인 신호전달체계를 가지는 부분이 있다. 그럼에도 불구하고, 비정상적으로 변화된 신호전달체계가 결국, 기존의 정상 줄기세포의 유지와 발달, 분화를 조절하는 신호전달계에 영향을 미쳐 암줄기세포의 기능을 갖게 된다고 할 수 있다. 이러한 신호전달계는 태아시기의 발달과 성체 줄기세포의 자가 복제와 분화에 영향을 주는, Notch, Hedgehog, Wnt 신호 전달계인데, 암 세포의 돌연변이에 의한 NF-κB와 같은 염증반응이나 세포의 증식을 일으키는 PI3K, EGF와 같은 신호전달계가 이들 신호전달계와 상호작용을 통해 암 줄기세포의 자가복제와 증식, 분화에 영향을 준다. 이를 바탕으로 Notch, Hedgehog, Wnt 신호전달계를 타겟팅하는 억제제가 다양한 종류의 암에서 시험되었는데, 전임상 단계의 동물모델에서 종양의 생성과 발전, 종양의 재발을 억제하는 효과가 있었다[2].
2.3. 줄기세포능과 종양줄기세포 적소
줄기세포 적소는 해부학적으로 구분된 미세환경으로 줄기세포의 생존과 자가 복제, 분화와 증식이 이루어지는 곳이다. 종양줄기세포 역시 일반적인 줄기세포와 마찬가지로 종양미세환경에서 종양줄기세포 적소를 가진다.종양줄기세포는 종양줄기세포의 자가복제에 영향을 주는 인자들이 생산될 뿐아니라, 신생혈관의 생성, 면역 세포와 기저 세포의 유입등을 일으키는 인자들이 생산되어, 암세포의 침투와 전이에도 큰 영향을 준다.
2.2.1.종양 연관 섬유아세포(Cancer-associated Fibroblast)
줄기세포 적소에는 먼저, 종양 연관 섬유아세포가 존재한다. 일반적인 섬유아세포가 종양미세환경에 내입한 후, 종양 미세환경의 다양한 인자들에 의해서 종양 연관 섬유아세포로 바뀌어질 수 있는데, 일반적인 섬유아세포와 비교해서, 세포외기질(Extracellular matrix)을 많이 만들며, VEGF, PDGF와 같은 혈관과 기저세포를 성장시키는 성장인자를 많이 만든다. 무엇보다,종양 연관 섬유아세포는 Notch와 Wnt신호전달계를 활성화시켜서 종양줄기세포의 줄기세포능을 강화시킨다. 또한 줄기세포가 아닌 비종양줄기세포도 Wnt의 활성화나 Notch의 활성화를 통해 역분화가 되어 줄기세포의 성질을 가질수 있게 될 수 있다는 보고가 있었다. 이를 통해 종양연관 섬유아세포가 줄기세포 적소에서 종양줄기세포의 기능 유지에 중요한 역할을 함을 알 수 있다[3].
2.2.2.중간엽 줄기세포(Mesenchymal stem cell)
중간엽 줄기세포도 종양줄기세포 적소에 유입이 되게 되면, 종양 줄기세포의 줄기세포능에 영향을 준다. 먼저 CXCL12, IL-6 와 같은 사이토카인과 키모카인의 분비를 통해 NF-kB의 활성화를 일으키고 이는 줄기세포능을 강화시키게 된다. 또한 중간엽 줄기세포는 BMP의 억제제를 분비함으로 종양줄기세포가 줄기세포능을 유지하고 분화가 되지 않도록 한다[3].
2.2.3.염증성 세포 (Inflammatory cells)
종양 미세환경과 종양줄기세포 적소에는 다양한 종류의 면역세포가 내입되어 있다. 대표적인 종양연관 대식세포(Tumor-associated macrophage)와 종양 연관 호중구(Tumor-associated neutrophils)는 다양한 종류의 면역 억제 물질을 발현하고, 신생혈관의 생성을 촉진하는 다양한 물질을 만들어낸다. 이들 세포가 만들어내는 물질은 상피-중간엽 이행(Epithelial-to-mesenchymal transition(EMT))과정을 일으켜 암세포가 그 과정에서 줄기세포능을 강화하게 만든다. 또한 이들이 분비하는 TGF-b와 같은 사이토카인은 줄기세포능과 자가복제를 강화한다[3].
2.2.4.종양줄기세포 적소내의 비세포적인 환경
종양줄기세포 적소는 종양 미세환경과 마찬가지로 빠르고 증식하는 암세포의 존재로 인해, 저산소의 상태가 된다. 이러한 저산소증 (Hypoxia)는 활성산소에 의한 스트레스 반응을 유도하여, 종양 줄기세포의 생존으ㅔ 도움을 준다. 또한 이 과정에서 활성화되는 Wnt에 의해 줄기세포능이 강화된다. 또한 종양줄기세포 적소의 세포외 기질역시 영향을 주는 데, 이곳에서 만들어지는 세포외기질을 분해하는 MMP효소는 Wnt 신호전달을 활성화시키고 줄기세포능을 강화시킨다[3].
3. 줄기세포능의 조절이 종양의 전이에 미치는 영향
3.1. 줄기세포능과 전이성 종양의 조절
줄기세포능을 갖는 암줄기세포는 전이를 일으킬 수 있는 능력을 가지고 있다는 것이 여러 연구를 통해 보여졌다. 유방암 환자의 혈액에서 줄기세포의 성질을 띠는 종양세포를 분리하여 면역결핍 마우스에 주사하자, 뼈와 간과 폐에 암의 전이가 일어났다. 암에서의 대량의 유전자 분석을 통하여 전이를 일으킬 수 있는 암의 유전체가 분석되었는데, 전이암의 유전체와 암줄기세포의 유전체와 많은 부분 닮아 있다는 것이 확인되었다. 대장암의 암세포를 표지하여 추적하는 연구에서는, 전이를 일으키는 암은 오랫동안 자가복제를 할 수 있는 능력을 가졌으며, 또한 휴지기에 들어갈 수 있어,화학요법에 저항성을 가질 수 있음이 보여졌다.
전이성 종양은 반드시 말기암의 상태에서만 발생하는 것은 아니며, 이른 시기에도 발생할 수 있다.그러나 혈액에서 순환하는 암세포중0.02% 이하만이 생존할만큼 암의 전이는 효율적인 과정은 아니다. 일단 다른 조직에 암세포가 내입하여 뿌리를 내리게 되면, 오랜 시간 동안 증식하지 않는 휴지기에 들어갈 수 있다. 이와 같은 이유로, 암의 치료가 완전히 끝난 몇 년 후에 갑작스러운 암의 재발이 생길 수 있는 것이다. 전이암의 유전체와 암줄기세포의 유전체가 많은 부분 닮아 있는 이유는, 생존에 적대적인 다른 조직에 암이 처음 뿌리 내린 이후에, 오랫동안 생존하기 위해서는 생존과 관련된 신호전달계가 활성화되어야 하는데, 이 신호전달계가 많은 부분 줄기세포능을 조절하는 신호전달계과 중복되고 연결되어 있기 때문이다[4].
종양 줄기세포 적소와 마찬가지로 전이성 암의 줄기세포 역시 적소가 존재한다. 이때의 줄기세포 적소는 암세포가 다른 조직에도 잘 퍼져나가며 생존할 수 있도록 돕는 역할을 한다. 이 줄기세포 적소에서 나오는 인자에서 줄기세포능을 유지할 수 있도록 돕는 물질이 생성되며, 신생 혈관의 생성을 일으키는 인자와,항종양 면역 반응을 억제하는 인자가 생산된다[3].
3.2. 상피-중간엽 이행(Epithelial-Mesenchymal Transition; EMT)과 줄기세포능의 조절
상피-중간엽 이행은 태아의 발달시기에 신경관 발달 과정등에서 일어나는 과정이다.이 과정을 통해서 상피세포의 성질을 띠고 있는 세포가 극성(polarity)를 잃어버리고 상피세포의 표지자인 E-cadherin등을 잃어버리고, vimentin과 fibronectin과 같은 중간엽 세포의 표지자를 발현하게 된다. 이 과정은 태아 시기의 발달 뿐아니라, 상처 치유(Wound healing)과정이나 암세포의 전이 과정에서도 일어나게 된다. 특별히 암세포에서 상피-중간엽 이행이 일어나게 되면, 암세포의 이동성이 크게 증가되어져 멀리 떨어진 조직에 퍼져나갈 수 있게 된다.
최근 연구를 통하여, 상피-중간엽 이행의 과정을 통하여,암세포가 단지 멀리 퍼져나갈 수 있을 뿐 아니라, 훨씬 상태 변화를 쉽게 할 수 있는 가소성(plasticity)를 갖게 됨이 보여졌다. 이는 상피-중간엽 이행의 과정을 통해 암세포가 줄기세포능을 획득하기 때문이다. 현재 여러 연구를 통해서,상피-중간엽 이행과 줄기세포능, 전이암의 생성 능력과의 상관관계가 보여졌다. 또한 상피-중간엽 이행의 과정을 일으키는 전사인자인 Zeb1이 발현되면, 상피세포의 표지자가 감소함과 동시에 줄기세포능이 증가가 되는 현상을 보고하였다. 이를 통해 상피-중간엽 이행의 과정과 줄기세포능과는 직접적인 관계가 있다는 것을 알 수 있다[4].
4. 암줄기세포를 타겟으로 하는 종양의 치료
암줄기세포는 전통적인 치료 방법인 방사능 치료나 화학요법에 대한 저항성을 가진다. 이는 이들 세포가 휴지기 상태에 있어서 이 치료 방식이 암세포를 죽이는 기전에 제대로 반응하지 않기 때문이다. 현재 확실한 분화 위계질서를 보여주는 백혈병과 같은 조혈조직의 암 뿐만 아니라 흑색종과 같이 명확한 분화 위계질서를 보여주지 않는 암에 이르기까지,다양한 종류의 화학요법에 저항성을 가지는 세포 주기(Cell cycle)에 들어가지 않는 휴지기 상태의 암 줄기세포가 관찰되었다. 또한 이들 암 줄기세포는 화학요법이 끝났을 때,다시 재발되는 양상을 나타내주었다. 따라서, 현재의 화학요법이 표적으로하는 빠르게 증식하는 암세포외에, 암 줄기 세포를 타겟으로 하는 치료법의 개발이 필요하다.
최근의 가장 큰 효과를 보여준 예는 백혈병에서all-trans 레티노산(retinoic acid)를 이용한 피료법이다. 이는 레티노산이 암줄기세포의 분화를 촉진할 수 있다는 점에서 시작된 치료법인데, 큰 효과를 거두었고, 현재 급성 promyelocytic 백혈병에서 새로운 치료 표준으로 사용되고 있다. 이의 성공은 다른 종류의 후성유전학적인 치료법의 개발을 촉진시켰다. 한 예로, lysine 특이적인 demthylase인 LSD1이 암 줄기세포의 줄기세포능의 조절에 관여한다는 점에 착안하여 이를 조절하는 약물이 개발되었는데, 이는 암줄기세포의 분화를 촉진하였고, 큰 부작용 없이 백혈병의 완화를 가져왔다.현재 다양한 HDAC 억제제 역시 미국 식약청의 승인을 받은 상태이고,다른 종류의 후성유전학적인 약물도 임상 시험 단계에 있다.
한편 암 줄기세포에 특이적인 세포막 표지자를 타겟으로하는 항체 약물의 경우, 여러 시험이 진행되었지만,효능과 독성 모두에서 좋지 않는 결과를 가져왔다. 보다 나은 치료를 위해서 보다 엄밀하고 정확한 암줄기세포 특이적인 표지자를 찾는 일이 선행되어야 할 것으로 보인다. 또 다른 접근 방법 으로, 암 줄기세포 적소를 타겟으로 하는 다양한 종류의 약물이 개발이 되었다. 이는 줄기세포 적소가 줄기세포능을 관장하는 Wnt 와 Notch등의 신호전달계를 조절한 다는 점에 착안하여, 이를 억제하는 방식인데, 전 임상 시험에서 훌륭한 효능을 보여주었고, 현재 임상시험 단계에 있다. 그러나 말기암으로 진행될수록, APC, KRAS, TP53, SMAD4와 같은 유전자의 돌연변이가 생긴 암이 발생하기도 하는데, 이러한 돌연변이는 자체적으로 줄기세포능을 강화시키는 신호전달계가 활성화되어 있어, 줄기세포 적소에 대한 의존성이 낮아지게 된다. 따라서 말기암과 전이 상태에 있는 암일수록, 줄기세포적소보다는 암세포 자체의 줄기세포능을 타겟으로 하는 것이 효과적이라고 할 수 있다.
5. 결론
암은 현대인의 주요 사망 원인 중 한 가지이다. 현재 많은 연구에도 불구하고, 암의 완전한 치료가 쉽지 않은 이유는 암이 복잡한 병리학적인 특성을 갖고 있기 때문이다. 이는 또한 많은 부분 유전적 돌연변이 뿐 아니라, 암세포들이 다양한 후성유전학적인 특성을 보여주어 환자간 종양의 이질성,그리고 같은 환자에서도 암 세포간 종양내 이질성이 존재하기 때문이다. 암 줄기세포는 종양내 이질성을 일으키는 중요한 원인 중 한 가지이며, 완전한 치료를 막는 가장 큰 장애물이다.이는 화학요법이나 방사능 요법으로 빠르게 증식하는 암세포를 사멸시킨다 할지라도, 암 줄기세포는 휴지기 상태로 오랫동안 살아남아 암을 재발시킬 수 있기 때문이다. 또한 암 줄기세포는 암의 전이에도 큰 역할을 한다. 암 세포에서 줄기세포능의 강화는 암의 전이가 일어나는 데 필수적인 과정이며,항종양면역 반응을 어렵게 만든다. 이를 통해 볼 때, 암의 치료를 위해서 암줄기세포를 타겟으로 하며, 암 세포의 줄기세포능을 조절하는 신호전달계를 타겟으로 하는 새로운 방식의 치료방법이 필요하다고 할 수 있다. 이는 각광 받고 있는 항암 면역 요법과는 전혀 다른 접근 방법을 사용하고 있기 때문에 병용 치료가 가능할 것이다. 더 많은 연구를 통해 암줄기세포의 줄기세포능을 타겟으로 하는 뛰어난 약물이 개발된다면, 현재 어려움을 겪고 있는 암의 재발과 암의 전이를 막는 뛰어난 치료제가 될 수 있을 것이다.
References
1. Batlle, E. and Clevers, H. Cancer stem cells revisited. Nat Med 23: 1124-1134. 2017.
2. Takebe, N. et al., Targeting Notch, Hedgehog, and Wnt pathways in cancer stem cells: clinical update. Nat Rev Clin Oncol. 12: 445–464. 2015.
3. Plaks, V. et al., The cancer stem cell niche. Cell Stem Cell 16: 225-238. 2015.
4. Weidenfeld, K. and Barkan, D. EMT and stemness in tumor dormancy and outgrowth. Front Oncol 8: 381. 2018.