[32] FDA 최초 중간엽 줄기세포 치료제 '라이온실'

• 최병철 박사의 노벨드럭인사이트
• 줄기세포치료, 단순 조직 재생에서 재생면역 치료로 발전
• 제조 공정의 표준화와 품질 일관성 등 주요 과제

라이온실(Ryoncil®, remestemcel-L-rknd, Mesoblast Inc.)은 미국 FDA가 최초로 승인한 동종 골수 유래 중간엽줄기세포(Mesenchymal Stromal Cell, MSC) 치료제로, 2024년 12월 생후 2개월 이상 소아 환자의 스테로이드 불응성 급성 이식편대숙주병(Steroid-Refractory Acute Graft-versus-Host Disease, SR-aGVHD) 치료제로 승인되었다.

SR-aGVHD는 동종 조혈모세포이식(allogeneic Hematopoietic Stem Cell Transplantation, allo-HSCT) 후 발생하는 가장 심각한 합병증 중 하나로, 이식 환자의 약 30~50%에서 발생한다. 이 질환은 공여자의 동종반응성 T세포가 수혜자의 조직을 이물질로 인식하여 공격함으로써 발생하는 면역매개성 질환이다. SR-aGVHD의 표준 초기 치료는 전신 코르티코스테로이드이지만, 약 50%의 환자는 스테로이드에 반응하지 않으며, 이러한 스테로이드 불응성 환자에서는 효과적인 치료 선택지가 매우 제한적이다.

라이온실은 건강한 공여자의 골수에서 분리한 동종 중간엽줄기세포(MSC)를 이용한 세포치료제이다. 생후 2개월 이상 소아 환자의 스테로이드 불응성 급성 이식편대숙주병(SR-aGVHD)을 치료하기 위해 개발되었으며, 동종 조혈모세포이식 후 발생하는 중증 면역학적 합병증에 대해 FDA 승인을 받은 최초의 MSC 치료제라는 점에서 중요한 임상적 의미를 가진다.

MSB-GVHD001 연구(NCT02336230)는 동종 조혈모세포이식(HSCT) 후 발생한 SR-aGVHD 소아 환자 54명을 대상으로 수행된 다기관, 전향적, 단일군 임상시험이다. 대상 환자는 국제골수이식등록소(International Bone Marrow Transplant Registry, IBMTR) 중증도 지수(Severity Index) 기준 Grade B~D의 SR-aGVHD 환자였으며, 피부 병변만 있는 Grade B 환자는 제외하였다. SR-aGVHD는 메틸프레드니솔론 2mg/kg/일 또는 이에 상응하는 용량으로 치료한 후 3일 이내에 질환이 진행하거나 7일 이내에 호전되지 않는 경우로 정의하였다. 또한 스크리닝 이전에 2차 aGVHD 치료를 받은 환자는 연구 대상에서 제외하였다.

주요 유효성 평가변수는 28일째 전체반응률(ORR)과 반응 지속기간이었다. ORR은 완전반응(CR)과 부분반응(PR)을 포함하였다. 28일째 ORR은 70.4%(95% 신뢰구간[CI], 56.4~82.0%)였으며, 완전반응은 29.6%(95% CI, 18.0~43.6%), 부분반응은 40.7%(95% CI, 27.6~55.0%)였다. 반응 발생 시점부터 질병 진행, 급성 이식편대숙주병에 대한 새로운 전신 치료 시작 또는 모든 원인에 의한 사망까지의 반응 지속기간 중앙값은 54일(범위 7일~159일 이상)이었다.

가장 흔하게 보고된 비실험실 이상반응(발생률 ≥20%)은 바이러스 감염, 세균 감염, 원인 미상의 감염, 발열, 출혈, 부종, 복통 및 고혈압이었다.

줄기세포치료제는 무엇인가?

세포 기반 치료(Cell-based therapy), 특히 줄기세포 치료(stem cell therapy)는 질병의 원인을 근본적으로 제거하기보다는 손상된 조직의 기능을 회복하고 질병의 진행을 조절하는 데 초점을 두는 재생의학(regenerative medicine)의 핵심 치료기술이다. 특히 기존 치료법으로 충분한 효과를 얻기 어려운 난치성 질환 환자에게 새로운 치료 가능성을 제시하고 있으며, 체내 줄기세포의 활성화와 조절을 통해 조직 항상성을 유지하고 손상된 조직의 재생 능력을 향상시키는 것을 궁극적인 목표로 한다. 또한 필요한 경우 외부에서 줄기세포를 공급하여 감소하거나 손상된 세포 집단을 보충함으로써 조직의 구조와 기능을 회복시키고자 한다.

줄기세포는 자기재생(self-renewal)과 다양한 세포로 분화할 수 있는 능력(differentiation)을 동시에 지닌 세포로 정의되며, 이러한 특성 때문에 오랫동안 기초연구와 임상연구의 중요한 대상이 되어 왔다. 재생의학의 궁극적인 목표는 손상된 조직을 재생하거나 기능을 상실한 세포를 새로운 세포로 대체하는 데 있으며, 이를 위해 인간 다능성 줄기세포(human pluripotent stem cells, hPSCs), 배아줄기세포(ESC), 유도만능줄기세포(iPSC), 성체줄기세포(adult stem cells), 전구세포(progenitor cells) 등 다양한 종류의 줄기세포가 연구되고 있다.

그러나 줄기세포 치료의 발전과 함께 과학적 근거가 충분하지 않은 치료를 상업적으로 제공하는 사례도 증가하면서 안전성과 유효성에 대한 우려가 제기되고 있다. 일부 사설 의료기관에서는 줄기세포를 모든 질환을 치료할 수 있는 이른바 '마법의 세포(magic cells)'로 홍보하며 검증되지 않은 시술을 시행하였고, 이로 인해 심각한 부작용이 발생한 사례도 보고되었다.

따라서 줄기세포 치료는 과도한 기대나 막연한 환상을 경계하면서도, 축적된 과학적 근거를 기반으로 올바르게 이해할 필요가 있다. 현재 재생의학은 지속적으로 발전하고 있으며, 줄기세포의 생물학적 특성과 치료기전을 규명하기 위한 연구뿐 아니라 안전성 확보와 품질관리 기술도 함께 발전하고 있다. 이러한 연구를 통해 줄기세포 치료는 향후 다양한 난치성 질환에서 중요한 치료 플랫폼으로 자리매김할 것으로 기대된다.

줄기세포 치료는 줄기세포의 자기재생과 분화 능력을 이용하여 손상된 세포와 조직을 재생하거나, 외부에서 공급한 세포를 이용하여 기능을 상실한 조직을 회복시키는 치료법이다. 치료에 사용되는 줄기세포는 세포의 공급원에 따라 크게 자가줄기세포(autologous stem cells)와 동종줄기세포(allogeneic stem cells)로 구분된다. 자가줄기세포는 환자 자신의 세포를 채취하여 사용하는 방법으로 면역거부반응의 위험이 낮은 장점이 있으며, 동종줄기세포는 건강한 공여자로부터 얻은 세포를 사용하는 방법으로 대량생산과 표준화가 가능하여 산업화와 상용화에 유리한 특징을 가진다.

줄기세포치료제의 종류는

줄기세포치료제는 사용되는 줄기세포의 기원과 분화능(potency)에 따라 크게 배아줄기세포치료제, 유도만능줄기세포치료제 및 성체줄기세포치료제로 구분된다.

줄기세포는 분화할 수 있는 범위에 따라 전능성(totipotency), 만능성(pluripotency), 다분화능(multipotency), 단분화능(unipotency)으로 구분된다(Figure 1). 분화능은 줄기세포가 생성할 수 있는 세포의 범위를 의미하며, 재생의학에서 줄기세포의 활용 가능성과 치료 전략을 결정하는 중요한 기준이다.

Figure 1. Levels of Stem Cell Differentiation Potential(출처: J. Pers. Med. 2023, 13, 1253).

전능성 줄기세포(Totipotent stem cells)​는 가장 높은 분화능을 가지며, 배아와 배외조직을 포함한 생명체를 구성하는 모든 세포를 생성할 수 있다. 따라서 수정란(zygote)과 초기 분열기 세포는 배아뿐 아니라 태반과 같은 배외조직까지 형성할 수 있어 완전한 개체를 형성할 수 있는 유일한 세포이다. 이후 배반포(blastocyst)가 형성되면 이러한 전능성은 소실된다.

만능성 줄기세포(Pluripotent stem cells)​는 외배엽(ectoderm), 중배엽(mesoderm), 내배엽(endoderm)의 세 배엽에서 유래하는 거의 모든 체세포로 분화할 수 있지만, 태반과 같은 배외조직은 형성하지 못하므로 완전한 개체를 형성할 수는 없다. 대표적인 예로 배반포의 내세포괴(inner cell mass)에서 유래한 배아줄기세포(embryonic stem cell, ESC)와 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell, iPSC)가 있다.

배아줄기세포(ESC) 치료제는 수정 후 약 5~7일째 형성되는 배반포의 내세포괴에서 유래한 줄기세포를 이용한 치료제이다. ESC는 인체를 구성하는 거의 모든 세포로 분화할 수 있는 만능성(pluripotency)을 가지며 증식능 또한 매우 우수하다. 따라서 재생의학 분야에서 가장 이상적인 세포원으로 평가받지만, 종양형성 위험과 배아 사용에 따른 윤리적 문제로 인해 임상 적용에는 상당한 제한이 존재한다.

유도만능줄기세포(iPSCs)​는 성숙한 체세포에 특정 전사인자(Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc)를 도입하여 유전적으로 재프로그래밍함으로써 만능성을 획득한 줄기세포이다. iPSC는 배아줄기세포와 유사한 자기재생 능력과 분화능을 가지며, 체내 대부분의 세포로 분화할 수 있다. 배아를 사용하지 않아 윤리적 문제를 상당 부분 해결할 수 있으며, 환자 자신의 세포를 이용한 맞춤형 재생치료, 질환모델 개발 및 신약개발 분야에서 활발히 연구되고 있다. 그러나 제조과정의 복잡성과 유전적 안정성 및 종양원성에 대한 지속적인 검증이 필요하다.

다분화능 줄기세포(Multipotent stem cells)​는 특정 조직이나 계통(lineage)에 속하는 여러 종류의 세포로 분화할 수 있지만, 분화 범위는 해당 조직 내로 제한된다. 대표적인 예는 중간엽줄기세포(mesenchymal stem cells, MSCs)로, 골아세포(osteoblast), 연골세포(chondrocyte), 근육세포(myocyte), 지방세포(adipocyte) 등 중배엽 계통의 다양한 세포로 분화할 수 있다. 또한 조혈모줄기세포(hematopoietic stem cells, HSCs)는 적혈구, 백혈구 및 혈소판 등 다양한 혈액세포를 생성하는 대표적인 다분화능 줄기세포이다.

단분화능 줄기세포(Unipotent stem cells)​는 가장 제한된 분화능을 가지며, 특정 조직에서 하나의 성숙세포 유형으로만 분화할 수 있다. 그러나 자기재생 능력은 유지하여 손상된 조직의 유지와 재생에 기여한다. 대표적인 예로 골격근의 위성세포(satellite cells)는 새로운 골격근 세포만을 생성하며, 피부의 기저세포나 정원줄기세포(spermatogonial stem cells)도 단분화능 줄기세포에 해당한다.

현재 임상에서 가장 널리 활용되는 것은 성체줄기세포(Adult Stem Cell, ADC) 치료제이다. 성체줄기세포는 출생 이후 다양한 조직에 존재하며 조직의 항상성과 재생을 담당한다. 대표적으로 조혈모줄기세포(Hematopoietic Stem Cell, HSC), 중간엽줄기세포(Mesenchymal Stem Cell, MSC), 신경줄기세포(Neural Stem Cell, NSC), 각막윤부줄기세포(Limbal Stem Cell) 및 골격근 위성세포(Satellite Cell) 등이 치료에 이용되고 있다.

이러한 중간엽줄기세포는 골수, 지방조직, 제대혈, 제대 및 태반 등 다양한 조직에서 비교적 쉽게 분리할 수 있으며, 증식능과 면역조절능이 우수하여 현재 전 세계에서 개발 중이거나 허가된 줄기세포치료제의 대부분을 차지하고 있다. 최근의 연구는 MSC의 직접적인 분화능보다는 파라크린 효과와 면역조절 기능이 임상적 치료 효과의 핵심이라는 점을 일관되게 제시하고 있으며, 이에 따라 MSC는 현재 줄기세포치료제 개발의 중심 플랫폼으로 자리매김하고 있다.

이와 함께 최근에는 줄기세포를 직접 투여하는 치료뿐 아니라 줄기세포가 분비하는 EV와 엑소좀을 이용한 무세포 치료제가 차세대 재생의학의 새로운 패러다임으로 부상하고 있다. 이는 살아있는 세포를 사용하지 않으면서도 줄기세포의 주요 치료 기전을 활용할 수 있어 안전성과 제조의 표준화를 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 치료 전략으로 평가받고 있다.

증간엽줄기세포치료제는 무엇인가?

중간엽줄기세포(MSC)는 비조혈성(non-hematopoietic) 다분화능 전구세포()로, 주로 골수에 존재한다. 골수 내 비조혈성 줄기세포의 존재는 약 130여 년 전 처음 제안되었으며, 이후 방추형(spindle-shaped)의 섬유아세포와 유사한 형태를 가지고 플라스틱 표면에 잘 부착하며 식세포 기능이 없는 세포 집단으로 관찰되었다. 이러한 세포는 이후 중간엽줄기세포(Mesenchymal Stem Cell) 또는 중간엽기질세포(Mesenchymal Stromal Cell)로 명명되었으며, 1970년대에 그 생물학적 특성이 체계적으로 규명되었다.

현재 국제세포·유전자치료학회(International Society for Cell & Gene Therapy, ISCT)는 이러한 세포를 중간엽기질세포(Mesenchymal Stromal Cell)라고 부를 것을 권장하고 있다. 이는 대부분의 MSC가 모든 조직으로 분화할 수 있는 엄격한 의미의 줄기세포라기보다는, 조직을 지지하는 기질세포의 특성을 가지면서 제한적인 분화능과 면역조절 및 재생 촉진 기능을 나타내기 때문이다. 그러나 연구 및 임상 현장에서는 Mesenchymal Stem Cell이라는 용어도 여전히 널리 사용되고 있으며, 두 용어 모두 MSC라는 동일한 약어를 사용한다.

시험관 배양 조건에서 MSC는 비교적 높은 증식능을 가지며, 장기간 배양을 통해 다수의 세포로 확장할 수 있다. MSC의 대표적인 특징은 자기재생 능력과 다분화능이다. 시험관 조건에서 MSC는 지방세포, 연골세포 및 골세포로 분화할 수 있으며, 일부 연구에서는 건세포, 섬유아세포, 근육세포 및 기타 간엽계 세포로의 분화 가능성도 보고되어 있다.

MSC는 단순히 다른 세포로 분화하는 것뿐 아니라 다양한 사이토카인, 성장인자 및 세포외소포(EVs)를 분비하여 주변 세포의 기능을 조절한다. 이러한 분비 인자는 염증반응을 억제하고 면역세포의 활성을 조절하며, 혈관신생과 조직재생을 촉진하는 데 관여한다. 또한 MSC는 골수 미세환경에서 조혈모세포를 지지하는 니치(niche)의 일부를 구성하며, 조혈모세포의 생존, 유지, 호밍(homing) 및 자기재생에 기여한다.

MSC는 먼저 자기재생을 통해 동일한 줄기세포를 지속적으로 생성하여 줄기세포 집단을 유지하며, 이후 다양한 생리적 신호와 성장인자의 자극을 받아 특정 조직으로의 분화가 결정(commitment)된다. 분화가 결정된 MSC는 전구세포(progenitor cell) 단계를 거치면서 계통 특이적인 유전자 발현이 증가하고, 점차 기능을 갖춘 성숙세포로 분화하게 된다.

MSC는 골형성(osteogenesis), 연골형성(chondrogenesis), 근육형성(myogenesis), 골수기질세포 형성(marrow stromagenesis), 건 및 인대 형성(tendogenesis/ligamentogenesis), 지방형성(adipogenesis) 등 다양한 중배엽 계통으로 분화할 수 있다. 골형성 과정에서는 MSC가 골아세포 전구세포를 거쳐 조골세포(osteoblast)로 분화한 후 최종적으로 골세포(osteocyte)로 성숙하여 골조직을 형성한다. 연골형성 과정에서는 연골세포(chondrocyte)와 비대연골세포(hypertrophic chondrocyte)를 거쳐 연골조직을 형성하며, 근육형성 과정에서는 근모세포(myoblast)가 서로 융합하여 근관(myotube)을 형성한 후 성숙한 골격근으로 발달한다(Figure 2). 

Figure 2. Msc differentiating to the Variety of Cell lineages(출처: ARTIFIAL CELLS NOMEDICINE, AND BIOTECHNOLOGY, 2016VOL. 44, NO. 3, 749–457).

또한 일부 MSC는 골수 미세환경을 구성하는 기질세포(stromal cell)로 분화하여 조혈모세포의 생존과 자기재생을 유지하는 니치를 형성하며, 건과 인대에서는 건세포와 섬유아세포로 분화하여 결합조직의 항상성을 유지한다. 지방형성 과정에서는 전지방세포(preadipocyte)를 거쳐 초기 지방세포를 형성한 후 성숙 지방세포(adipocyte)로 분화하여 에너지 저장과 지방대사에 관여한다.

이와 같이 MSC는 하나의 세포로부터 골조직, 연골조직, 근육조직, 지방조직 및 다양한 결합조직을 구성하는 세포를 생성할 수 있는 다분화능을 가지며, 이러한 특성은 MSC가 조직의 성장과 항상성 유지 및 손상된 조직의 재생에 중요한 역할을 수행하는 생물학적 근거가 된다.

다만 최근 연구에서는 MSC가 손상된 조직으로 직접 분화하여 조직을 대체하는 비율은 매우 낮은 것으로 밝혀졌으며, 실제 치료 효과는 분화 자체보다 다양한 성장인자, 사이토카인 및 세포외소포(extracellular vesicles, EVs)를 분비하여 면역반응을 조절하고 손상된 조직의 재생을 촉진하는 파라크린(paracrine) 기전에 의해 주로 나타나는 것으로 이해되고 있다.

따라서 현재 MSC는 다분화능을 가진 줄기세포인 동시에 강력한 면역조절 및 조직재생 기능을 수행하는 치료세포로 인식되고 있으며, 이러한 특성을 바탕으로 이식편대숙주병, 자가면역질환, 퇴행성 관절질환, 심혈관질환 및 신경계질환 등 다양한 난치성 질환의 세포치료제로 개발 및 활용되고 있다.

중간엽줄기세포치료제의 작용기전은

MSC 치료제의 치료기전에 대한 개념은 지난 20여 년 동안 크게 변화하였다. 초기에는 이식된 MSC가 손상 조직으로 이동하여 다양한 기능성 세포로 직접 분화함으로써 조직을 재생시키는 것이 주요 기전으로 생각되었다. 그러나 최근의 전임상 및 임상 연구에서는 체내에 투여된 MSC의 대부분이 수일에서 수주 이내에 소실되며, 실제 분화율도 매우 낮다는 사실이 밝혀졌다. 그럼에도 임상적 치료 효과가 지속된다는 점에서 현재는 파라크린 효과(paracrine effect) 와 면역조절(immunomodulation) 이 치료 효과의 핵심 기전으로 받아들여지고 있다.

첫 번째 기전은 세포대체(cell replacement)이다. 일부 조직에서는 줄기세포가 손상 부위에 정착(homing)하여 해당 조직의 기능성 세포로 분화함으로써 조직을 직접 재생할 수 있다. 조혈모줄기세포가 정상적인 혈액세포를 재생하는 과정은 이러한 대표적인 사례이다. 그러나 대부분의 성체줄기세포, 특히 중간엽줄기세포(Mesenchymal Stem Cell, MSC)는 실제 분화율이 매우 낮아 직접적인 조직 대체가 치료 효과의 주된 원인으로 보기는 어렵다.

두 번째 기전은 파라크린 효과(paracrine effect)이다. 현재 가장 중요한 치료기전으로 인정되는 이 과정에서 줄기세포는 혈관내피성장인자(Vascular Endothelial Growth Factor, VEGF), 간세포성장인자(Hepatocyte Growth Factor, HGF), 섬유아세포성장인자(Fibroblast Growth Factor, FGF), 인슐린유사성장인자(Insulin-like Growth Factor-1, IGF-1), 혈소판유래성장인자(Platelet-Derived Growth Factor, PDGF) 등 다양한 성장인자를 분비하여 혈관신생을 촉진하고 세포 생존을 증가시키며 조직 재생을 유도한다. 동시에 항염증성 사이토카인과 항섬유화 인자를 분비하여 손상 조직의 미세환경을 회복시키는 역할도 수행한다.

세 번째 기전은 면역조절(immunomodulation)이다. 특히 MSC는 선천면역과 적응면역 모두를 조절하는 특성을 가진다. MSC는 T림프구의 과도한 활성화를 억제하고 조절 T세포(regulatory T cell, Treg)를 증가시키며, 염증을 유발하는 Th17 세포를 감소시킨다. 또한 B 림프구의 항체 생성과 자연살해세포(NK cell)의 세포독성 활성을 조절하며, 대식세포를 염증성 M1 표현형에서 조직 재생을 촉진하는 M2 표현형으로 전환시킨다. 이러한 면역조절 기능은 자가면역질환, 이식편대숙주병, 만성염증성 질환 등에서 중요한 치료 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다.

네 번째 기전은 항염증 및 항섬유화 효과이다. 줄기세포는 Interleukin-10, Transforming Growth Factor-β(TGF-β) , Prostaglandin E₂(PGE₂), Indoleamine 2,3-dioxygenase(IDO), TNF-stimulated Gene-6(TSG-6) 등의 생리활성물질을 분비하여 과도한 염증반응을 억제하고 섬유화를 감소시킴으로써 조직의 기능적 회복을 촉진한다.

최근에는 세포외소포(EVs)와 엑소좀(exosomes)을 통한 세포 간 신호전달이 줄기세포치료의 핵심 기전으로 주목받고 있다. EV에는 microRNA, mRNA, 단백질, 지질 및 성장인자 등이 포함되어 있으며, 손상된 세포로 전달되어 유전자 발현과 세포 기능을 조절함으로써 조직 재생을 유도한다.

이러한 연구 결과는 줄기세포의 치료 효과가 살아있는 세포 자체뿐 아니라 줄기세포가 분비하는 생물학적 정보 전달체에 의해 상당 부분 매개된다는 사실을 보여주고 있으며, 최근에는 EV 및 엑소좀을 이용한 무세포(cell-free) 치료제 개발로 연구 영역이 확대되고 있다.

중간엽줄기세포의 공급원, 생물학적 특성 및 임상적 활용은?

MSC 치료제는 세포의 유래 조직(source), 공여 방식(donor type) 및 제조 전략에 따라 분류할 수 있다. 세포의 유래 조직에 따라서는 골수 유래 중간엽줄기세포(Bone Marrow-derived MSC, BM-MSC), 지방 유래 중간엽줄기세포(Adipose-derived MSC, AD-MSC), 제대혈 유래 중간엽줄기세포(Umbilical Cord Blood-derived MSC), 제대(Wharton's jelly) 유래 중간엽줄기세포(Umbilical Cord-derived MSC, UC-MSC), 태반 유래 MSC, 양막 유래 MSC 및 치수 유래 MSC 등으로 구분된다. 이 가운데 골수, 지방조직 및 제대 조직은 현재 임상용 MSC 제조에 가장 널리 이용되는 공급원이며, 최근에는 채취가 용이하고 증식능이 우수한 제대 및 태반 유래 MSC의 활용이 지속적으로 증가하고 있다.

공여 방식에 따라서는 자가(autologous) MSC와 동종(allogeneic) MSC로 구분된다. 자가 MSC는 환자 자신의 세포를 이용하므로 면역거부반응의 위험이 거의 없지만, 제조 기간이 길고 환자의 연령이나 기저질환에 따라 세포의 증식능과 기능이 저하될 수 있다는 한계가 있다. 반면 동종 MSC는 건강한 공여자로부터 확보한 세포를 대량 증식하여 제조할 수 있으므로 균일한 품질을 유지할 수 있으며, 필요 시 즉시 사용할 수 있는 off-the-shelf 치료제 개발이 가능하다. 이러한 장점 때문에 현재 허가되었거나 개발 중인 대부분의 MSC 치료제는 동종 MSC를 기반으로 하고 있다.

골수에서 MSC는 전체 단핵세포(mononuclear cell)의 약 0.001%에 불과한 매우 희귀한 세포이며, 공여자의 연령이 증가할수록 세포 수와 증식능이 감소하는 경향을 보인다. 그러나 MSC는 골수뿐 아니라 지방조직, 제대, 제대혈, 태반, 양수, 활막, 치수, 골막, 힘줄, 간, 폐, 뇌, 말초혈액, 각막, 흉선, 비장 및 난관 등 다양한 조직에서도 분리될 수 있으며, 조직의 종류에 따라 증식능, 분화능, 면역조절 기능 및 분비체(secretome)의 특성이 서로 다르다.

골수는 MSC가 처음 체계적으로 규명된 대표적인 공급원으로 현재까지 가장 많은 임상 경험과 안전성 자료가 축적되어 있다. 골수유래 MSC는 골분화와 연골분화 능력이 우수하며, 이식편대숙주병(GvHD), 골·연골질환 및 면역매개성 질환을 대상으로 가장 폭넓게 연구되어 왔다. 그러나 골수 내 MSC의 비율이 매우 낮아 치료에 필요한 세포를 확보하기 위해서는 체외 증식이 필수적이며, 장골능에서 시행하는 골수 흡인은 침습적인 시술로 통증, 출혈 및 감염의 위험을 동반할 수 있다. 또한 공여자의 연령과 건강 상태에 따라 세포 수율과 증식능이 영향을 받을 수 있다.

지방조직은 지방흡입술이나 수술 과정에서 비교적 쉽게 확보할 수 있으며, 골수보다 많은 수의 MSC를 얻을 수 있는 장점이 있다. 지방조직을 효소 처리하여 얻은 기질혈관분획(Stromal Vascular Fraction, SVF)에서 부착성 세포를 배양하면 지방유래 MSC를 제조할 수 있다. 지방유래 MSC는 초기 세포 수율과 증식능이 우수하여 대량 생산에 적합하며, 지방분화와 연부조직 재생 능력이 뛰어나 퇴행성 관절질환, 연부조직 손상, 상처치유 및 염증성 질환을 대상으로 활발히 연구되고 있다. 다만 공여자의 비만, 대사질환, 채취 부위 및 제조 공정에 따라 세포 특성이 달라질 수 있으며, SVF와 배양된 AD-MSC는 구성 성분과 규제 체계가 서로 다르므로 구분해야 한다.

제대는 출산 후 폐기되는 조직을 이용하므로 채취 과정이 비침습적이며 윤리적 문제가 거의 없다. 특히 제대 내부의 점액성 결합조직인 와튼젤리(Wharton's jelly)는 MSC의 가장 중요한 공급원 가운데 하나이다. 제대유래 MSC는 성인 조직 유래 MSC보다 세포가 상대적으로 젊고 증식능과 자기재생능이 우수하며, 장기간 배양 후에도 세포 노화가 비교적 늦게 나타난다. 또한 HLA 발현이 낮고 면역조절 기능이 우수하여 동종 세포치료제 개발에 가장 적합한 공급원으로 평가된다. 하나의 제대에서 충분한 세포를 확보하여 마스터 세포은행(Master Cell Bank)을 구축할 수 있으므로 표준화와 대량생산에도 유리하다. 다만 공여자 간 변이와 제조 공정에 따른 품질 차이를 지속적으로 관리해야 한다.

제대혈에서도 MSC를 분리할 수 있으나 분리 성공률이 낮고 세포 수율이 일정하지 않아 임상용 MSC 제조에는 제한적으로 이용된다. 반면 제대 조직, 특히 와튼젤리는 MSC 확보가 용이하여 현재 제대유래 MSC의 주요 공급원으로 활용되고 있다.

태반과 양수는 출산 과정에서 확보할 수 있는 주산기 조직으로 비교적 젊은 세포를 제공한다는 장점이 있다. 태반은 양막, 융모막 및 탈락막 등 여러 조직으로 구성되어 있어 분리 부위에 따라 세포의 특성이 달라질 수 있으며, 태아 유래 세포와 모체 유래 세포가 함께 존재할 수 있으므로 세포의 기원을 확인하고 제조 공정을 표준화하는 것이 중요하다. 양수유래 MSC 역시 우수한 증식능과 분화능이 보고되고 있으나 임상적 활용 경험은 아직 제한적이다.

활막유래 MSC는 연골형성 능력이 우수하여 관절연골 재생에 적합하며, 치수유래 MSC는 치아 및 두개안면 조직 재생 분야에서 연구되고 있다. 골막유래 MSC는 골형성 능력이 뛰어나 골결손 치료에 활용 가능성이 높고, 힘줄유래 MSC는 건과 인대 재생 연구에 이용되고 있다. 이 외에도 간, 폐, 뇌, 각막, 흉선, 비장 및 난관 등 다양한 조직에서 MSC와 유사한 기질세포가 분리되고 있으나, 조직마다 증식능, 분화 성향, 면역조절 능력 및 분비체의 특성이 서로 다르므로 치료 목적에 적합한 공급원을 선택하는 것이 중요하다.

MSC 공급원의 선택은 단순히 세포를 많이 얻을 수 있는지만으로 결정되지 않는다. 치료 대상 질환, 요구되는 작용기전, 자가 또는 동종 사용 여부, 공여자의 특성, 채취의 용이성, 초기 세포 수율, 체외 증식능, 면역원성, 유전적 안정성, 세포은행 구축 가능성 및 대량생산의 표준화 가능성 등을 종합적으로 고려하여 결정하여야 한다.

조혈모세포 이식(HSCT)은 무엇인가?

조혈모세포 이식(Hematopoietic Stem Cell Transplantation, HSCT)은 조혈모세포(Hematopoietic Stem Cell, HSC)를 이용하여 손상되거나 기능을 상실한 조혈계와 면역계를 재건하는 대표적인 세포치료법이다. 조혈모세포는 혈액을 구성하는 모든 세포의 기원이 되는 다분화능을 가진 성체줄기세포로, 자기재생 능력과 적혈구, 백혈구 및 혈소판을 비롯한 모든 혈액세포로 분화할 수 있는 능력을 동시에 갖는다. HSCT는 이러한 조혈모세포를 환자에게 이식하여 새로운 조혈계를 형성함으로써 정상적인 조혈기능과 면역기능을 회복시키는 치료법이며, 현재까지 임상적으로 가장 성공한 줄기세포치료로 평가받고 있다.

조혈모세포는 주로 골수에 존재하지만, 과립구집락자극인자(Granulocyte Colony-Stimulating Factor, G-CSF)를 이용하여 말초혈액으로 동원한 말초혈액 조혈모세포(Peripheral Blood Stem Cell, PBSC)와 출생 시 채취한 제대혈(Umbilical Cord Blood, UCB)에서도 얻을 수 있다. 이들 조혈모세포는 골수 니치(bone marrow niche)에 존재하면서 평생 동안 혈액세포를 지속적으로 생성하여 조혈 항상성(hematopoietic homeostasis)을 유지하는 핵심적인 역할을 수행한다.

HSCT는 공여자의 유형에 따라 자가이식(autologous HSCT)과 동종이식(allogeneic HSCT)으로 구분된다. 자가이식은 환자 자신의 조혈모세포를 미리 채취하여 냉동 보관한 후, 고용량 항암화학요법 또는 방사선치료를 시행한 뒤 다시 이식하는 방법이다. 면역거부반응이나 이식편대숙주병(Graft-versus-Host Disease, GvHD)의 위험이 거의 없으며, 다발골수종과 일부 림프종의 표준치료로 사용된다.

반면 동종이식은 건강한 공여자의 조혈모세포를 이식하는 방법으로, 급성 및 만성 백혈병, 재생불량빈혈, 골수형성이상증후군(Myelodysplastic Syndrome, MDS), 선천성 면역결핍질환 및 다양한 유전성 혈액질환에서 널리 시행되고 있다. 동종이식에서는 공여자의 면역세포가 잔존 암세포를 제거하는 이식편대백혈병 효과(Graft-versus-Leukemia, GvL)를 기대할 수 있는 반면, GvHD가 발생할 수 있다는 점이 중요한 특징이다.

조혈모세포의 공급원(Source)은 크게 골수 유래 조혈모세포(Bone Marrow-derived HSC), 말초혈액 조혈모세포(PBSC) 및 제대혈 조혈모세포(Umbilical Cord Blood Stem Cell)로 구분된다. 골수 유래 조혈모세포는 가장 오랜 임상 경험과 풍부한 근거를 보유하고 있으며, 말초혈액 조혈모세포는 G-CSF를 이용하여 말초혈액으로 동원한 후 성분채집술(apheresis)로 채취하므로 더 많은 조혈모세포를 확보할 수 있고 생착 속도가 빠른 장점이 있다. 반면 제대혈 조혈모세포는 HLA 적합성이 다소 낮더라도 이식이 가능하며 GvHD 발생률이 상대적으로 낮지만, 확보 가능한 세포 수가 적어 성인 환자에서는 생착이 지연될 수 있다.

HSCT는 현재까지 가장 성공적으로 확립된 줄기세포치료로 인정받고 있으며, 백혈병, 림프종, 다발골수종, 재생불량빈혈 및 선천성 면역결핍질환 등 다양한 혈액질환의 표준치료(standard of care)로 자리 잡고 있다. 대부분의 줄기세포치료제가 조직 재생이나 면역조절을 통해 치료 효과를 유도하는 것과 달리, HSCT는 손상된 조혈계를 새로운 조혈계로 대체하여 장기간 정상적인 조혈기능과 면역기능을 회복시키는 대표적인 세포대체치료(cell replacement therapy)라는 점에서 독보적인 임상적 의의를 갖는다.

스테로이드 불응성 급성 이식편대숙주병SR-aGVHD)는 무엇인가?

급성 이식편대숙주병(acute Graft-versus-Host Disease, aGVHD)은 동종 조혈모줄기세포이식(allo-HSCT) 후 발생하는 가장 심각한 면역학적 합병증 중 하나이다. 공여자의 면역세포가 수혜자의 정상 조직을 비자기(non-self)로 인식하여 공격함으로써 발생하며, 주로 피부, 간 및 위장관을 침범한다. 질환이 중증으로 진행하면 다장기부전과 사망에 이를 수 있다.

현재 급성 GVHD의 표준 1차 치료는 고용량 전신 코르티코스테로이드(systemic corticosteroids)이다. 그러나 약 30~50%의 환자는 스테로이드 치료에 충분히 반응하지 않으며, 이러한 상태를 스테로이드 불응성 급성 이식편대숙주병(Steroid-Refractory Acute Graft-versus-Host Disease, SR-aGVHD)이라고 한다.

SR-aGVHD는 일반적으로 메틸프레드니솔론(methylprednisolone) 2mg/kg/day 또는 이에 상응하는 용량의 스테로이드를 투여하였음에도 불구하고 3일 이내 질환이 진행하거나, 5~7일간 치료 후에도 임상적 호전이 나타나지 않는 경우를 의미한다. 또한 초기에는 치료에 반응하였으나 스테로이드 감량 과정에서 질환이 다시 악화되는 경우도 포함된다. 아직 국제적으로 완전히 통일된 정의는 없지만, 대부분의 임상시험과 치료지침에서는 이러한 기준을 적용하고 있다.

SR-aGVHD의 병태생리는 공여자 T림프구의 지속적인 활성화와 과도한 염증반응에 의해 설명된다. 이식 전 시행되는 고용량 화학요법이나 전신 방사선조사(total body irradiation)는 피부와 장점막 등 정상 조직의 손상을 유발하며, 손상된 조직에서는 손상연관 분자패턴(Damage-Associated Molecular Patterns, DAMPs)과 다양한 염증성 사이토카인이 방출된다.

이러한 신호는 수혜자의 항원제시세포(APC)를 활성화시키고, 이어 공여자의 T세포가 활성화되면서 IL-2, TNF-α, IFN-γ, IL-1 및 IL-6 등의 염증성 사이토카인을 대량으로 분비한다. 이후 활성화된 세포독성 T세포와 자연살해세포(NK) 세포는 피부, 간 및 장 조직을 공격하여 조직 손상을 더욱 증폭시킨다. 특히 장점막이 손상되면 장내 세균과 내독소(endotoxin)가 혈류로 유입되어 전신 염증반응을 더욱 악화시키는 악순환이 형성된다.

임상적으로 SR-aGVHD는 침범 장기에 따라 다양한 증상을 나타낸다. 피부 침범 시에는 광범위한 홍반성 발진과 수포가 발생하며, 심한 경우 표피 박리까지 진행할 수 있다. 간 침범 시에는 황달, 혈청 빌리루빈 상승 및 간기능 이상이 나타나며, 위장관 침범 시에는 대량의 수양성 설사, 복통, 혈변 및 장출혈이 발생하여 가장 불량한 예후와 관련된다. 여러 장기가 동시에 침범된 경우에는 중증 감염, 영양실조 및 다장기부전의 위험이 크게 증가한다.

SR-aGVHD는 동종 조혈모줄기세포이식 후 치료 관련 사망의 주요 원인 가운데 하나이며, 장기 생존율을 현저히 저하시킨다. 특히 Grade III 또는 Grade IV 급성 GVHD에서 스테로이드에 반응하지 않는 경우에는 치료 관련 사망률이 매우 높으며, 사망의 주요 원인은 중증 감염과 다장기부전이다.

이러한 이유로 SR-aGVHD에서는 스테로이드 이외의 2차 치료가 필요하다. 현재 JAK1/JAK2 억제제인 룩소리티닙(Ruxolitinib)은 성인과 12세 이상 소아의 SR-aGVHD 치료에 승인되어 널리 사용되고 있다.

한편, 중간엽기질세포(MSC) 치료는 활성화된 T세포의 증식을 억제하고 조절 T세포(Treg)를 증가시키며, 항염증성 사이토카인과 다양한 생리활성 인자를 분비하여 면역 항상성을 회복시키는 기전으로 치료효과를 나타낸다.

최근 SR-aGVHD 치료의 패러다임은 단순한 면역억제에서 면역 항상성 회복과 조직 재생을 동시에 추구하는 재생면역치료로 발전하고 있다. 특히 MSC는 과도한 면역반응을 선택적으로 조절하는 동시에 손상된 장점막과 조직의 회복을 촉진하는 대표적인 면역조절 세포치료제로 평가받고 있다. 더 나아가 MSC가 분비하는 세포외소포(EVs)와 엑소좀(exosomes)을 이용한 무세포 치료가 활발히 연구되고 있으며, 향후 SR-aGVHD 치료의 새로운 전략으로 주목받고 있다.

라이온실은 어떤 약제인가

라이온실(RyoncilⓇ, remestemcel-L-rknd)은 동종 골수 유래 중간엽기질세포를 이용한 세포치료제로, 스테로이드 불응성 급성 이식편대숙주병(SR-aGVHD)의 치료를 위해 개발되었다.

초기 임상개발에서는 중증 SR-aGVHD 환자를 대상으로 안전성과 초기 유효성을 평가하기 위한 제1/2상 연구가 수행되었으며, MSC 투여 후 완전반응과 부분반응이 확인되고 양호한 안전성이 입증되어 후속 임상개발의 기반이 마련되었다. 이어 치료 대안이 거의 없는 소아 SR-aGVHD 환자를 대상으로 Expanded Access Program(EAP)이 시행되었으며, 실제 진료환경에서도 일관된 치료반응과 생존율 개선 가능성이 확인되었다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 적정 용량과 투여 일정이 확립되었고, 허가를 위한 핵심 임상시험인 MSB-GVHD001이 수행되었다.

MSB-GVHD001 연구(NCT02336230)는 메틸프레드니솔론 2mg/kg/day 또는 이에 상응하는 용량의 스테로이드를 투여한 후 3일 이내 질환이 진행하거나 7일 이내 임상적 호전이 나타나지 않은 소아 SR-aGVHD 환자를 대상으로 수행된 다기관, 전향적, 단일군 제3상 임상시험이다. 대상 환자는 동종 조혈모줄기세포이식 후 국제골수이식등록소(IBMTR) 중증도 기준 Grade B~D의 SR-aGVHD 환자였으며, 피부 단독 Grade B 환자는 제외하였다. 대상 연령은 생후 2개월부터 17세까지였고, 1차 유효성 평가변수는 28일째(±2일) 전체반응률(ORR)이었다.

라이온실은 2×10⁶ MSC/kg 용량으로 4주 동안 주 2회 정맥 투여하였다. 치료 효과는 28일째(Day 28)에 평가하였으며, 부분반응(PR) 또는 혼합반응(MR)을 보인 환자에게는 주 1회씩 추가 4주간 투여하였다. 또한 완전반응(CR)에 도달한 후 질환이 재발한 환자에게는 주 2회씩 최대 4주간 재투여하였다.

미국 내 20개 의료기관에서 총 55명의 환자가 등록되었으며, 최소 1회 이상 치료를 받은 54명을 대상으로 유효성을 분석하였다. 대상 환자의 약 89%가 Grade C 또는 Grade D의 중증 환자였으며, 28일째 전체반응률은 70.4%(95% 신뢰구간 56.4–82.0%)로 사전에 설정한 목표치를 충족하였다. 하위군 분석에서도 Grade B, C 및 D 환자의 전체반응률은 각각 50.0%, 69.5% 및 76.0%로 일관된 치료효과를 보였다. 또한 28일째 치료반응은 180일 생존율과 유의한 상관관계를 보여 조기 치료반응이 장기 예후를 예측하는 중요한 지표임을 시사하였다.

반응 지속기간의 중앙값은 54일이었으며, 새로운 전신치료를 시작하거나 사망하기 전까지의 중앙 지속기간은 111일이었다. 약력학 분석에서는 활성화된 T세포 관련 바이오마커인 TNFR1과 ST2의 혈중 농도가 치료 후 유의하게 감소하였고, 활성화된 CD3⁺CD4⁺CD25⁺HLA-DR⁺ T세포 역시 감소하여 라이온실의 면역조절 기전을 뒷받침하였다.

안전성 평가에서는 모든 환자에서 이상반응이 보고되었으나 새로운 안전성 신호는 확인되지 않았으며, MSC 치료에서 우려되는 이소성 조직 형성이나 임상적으로 의미 있는 면역원성도 관찰되지 않았다.

이러한 임상개발 결과를 바탕으로 라이온실은 2024년 미국 FDA로부터 생후 2개월 이상의 소아 스테로이드 불응성 급성 이식편대숙주병(SR-aGVHD) 치료제로 승인되었으며, 미국에서 최초로 허가된 중간엽기질세포(MSC) 치료제가 되었다.

현재 허가된 권장 용량은 체중 1kg당 2×10⁶개의 MSC이며, 주 2회씩 4주간 총 8회 정맥 투여한다. 28일 평가에서 부분반응(PR) 또는 혼합반응(MR)을 보인 환자는 주 1회씩 최대 4주간 추가 투여할 수 있으며, 총 투여 횟수는 최대 12회이다. 완전반응 후 재발한 환자에서는 임상의의 판단에 따라 재투여가 가능하다.

라이온실은 냉동 보관된 세포치료제로 공급되며, 사용 직전에 해동하여 정맥 점적주입한다. 투여 중에는 주입 관련 이상반응과 과민반응을 면밀히 관찰해야 하며, 세포의 생존율과 기능을 유지하기 위해 다른 약제와 동일한 주입 라인에서 혼합 투여하거나 과도한 물리적 교반은 피해야 한다. 이러한 용법·용량은 MSB-GVHD001 임상시험에서 확립된 프로토콜을 근거로 하며, 미국 FDA 허가사항에도 동일한 내용으로 반영되어 있다.

라이온실의 약리적 기전은?

라이온실의 치료효과는 현재까지 알려진 바에 따르면  손상된 조직으로 직접 분화하여 조직을 재생시키기보다는 면역조절(immunomodulation)​과 주변분비(paracrine signaling)​를 통해 주로 나타난다.

정맥으로 투여된 MSC는 폐와 비장 등 미세혈관이 풍부한 조직에 일시적으로 머무르며, 체내의 염증성 미세환경(inflammatory microenvironment)에 노출되면 다양한 면역조절 인자와 생리활성 물질을 분비한다. 여기에는 Prostaglandin E₂(PGE₂), Transforming Growth Factor-β(TGF-β), Hepatocyte Growth Factor(HGF), Interleukin-10(IL-10), Indoleamine 2,3-Dioxygenase(IDO), Nitric Oxide(NO), Tumor Necrosis Factor-Stimulated Gene-6(TSG-6)​를 비롯하여 세포외소포(EVs)​와 엑소좀(exosomes) 등이 포함된다(Figure 3).

Figure 3. Ryoncil(remestemcel-L) Mechanism of Action(출처: Mesoblast Ltd.)

이들 분비인자는 다양한 면역세포에 작용하여 과도한 면역반응을 효과적으로 억제한다. 활성화된 CD4⁺ 및 CD8⁺ T림프구의 증식과 염증성 사이토카인 분비를 감소시키고, 조절 T세포(Treg)​의 생성을 촉진하여 면역관용을 유도한다. 또한 자연살해세포의 세포독성 기능을 억제하고, 수지상세포의 성숙과 항원제시 기능을 감소시켜 후속 T세포의 활성화를 제한한다.

라이온실은 대식세포의 표현형에도 영향을 미친다. 염증성 M1 대식세포를 항염증성 M2 대식세포로 전환시켜 IL-10과 같은 항염증성 사이토카인의 분비를 증가시키는 반면, TNF-α, IFN-γ, IL-1β 및 IL-6 등 염증성 사이토카인의 생성을 감소시킨다. 이러한 면역환경의 변화는 염증 반응을 완화하고 조직 손상을 억제하며, 손상된 조직의 회복을 촉진하는 데 중요한 역할을 한다.

최근에는 MSC가 분비하는 세포외소포(EVs)​와 엑소좀이 이러한 면역조절 효과의 상당 부분을 매개하는 것으로 알려져 있다. EV에는 microRNA(miRNA), mRNA, 단백질, 지질 및 다양한 생리활성 물질​이 포함되어 있으며, 표적세포로 전달되어 유전자 발현과 세포 기능을 조절한다. 따라서 라이온실의 치료효과는 살아있는 MSC 자체의 작용뿐 아니라 MSC가 분비하는 분비체(secretome)​와 EV가 복합적으로 작용한 결과로 이해되고 있다.

결과적으로 라이온실은 손상된 조직을 직접 대체하는 세포대체 치료제가 아니라, 과도하게 활성화된 면역반응을 선택적으로 조절하여 염증을 감소시키고 조직의 자연적인 회복을 촉진하는 ​면역조절 세포치료제로 분류된다. 이러한 작용기전은 줄기세포치료제의 개발 패러다임이 단순한 조직 재생 중심에서 면역조절과 분비체(secretome), 세포외소포(EVs)를 활용한 재생면역치료 중심으로 발전하고 있음을 보여주는 대표적인 사례로 평가된다.

라이온실(RYONCIL)의 허가임상은 어떻게 진행되었는가?

RYONCIL의 유효성은 다기관, 전향적, 단일군 임상시험인 MSB-GVHD001(NCT02336230)에서 평가되었다. 본 연구에는 동종 조혈모줄기세포이식(allo HSCT)을 받은 소아 환자 중 International Blood and Marrow Transplantation Registry Severity Index Criteria(IBMTR) 에 따라 Grade B~D(단, 피부 단독 Grade B는 제외)의 스테로이드 불응성 급성 이식편대숙주병(SR-aGVHD) 환자가 등록되었다.

SR-aGVHD는 메틸프레드니솔론(methylprednisolone) 2mg/kg/day 또는 이에 상응하는 용량의 스테로이드를 투여한 후 3일 이내에 질환이 진행하거나(progression), 또는 7일 연속 치료에도 임상적 호전이 나타나지 않는 경우로 정의하였다. 또한, 등록 이전에 급성 GVHD에 대한 2차 치료(second-line therapy) 를 받은 환자는 연구에서 제외하였다.

RYONCIL은 2×10⁶MSC/kg 용량으로 정맥주사하였으며, 주 2회씩 4주간 총 8회 투여하였다. 투여 28일째(Day 28) 에 부분반응(Partial Response) 또는 혼합반응(Mixed Response)을 보인 환자는 동일 용량(2×10⁶ MSC/kg)을 주 1회씩 추가 4주간 투여하였다. 반면, Day 28에서 완전반응(Complete Response, CR)을 달성한 이후 급성 GVHD가 재발한 환자는 동일 용량을 주 2회씩 추가 4주간 다시 투여하였다.

총 55명의 환자가 등록되었으며, 이 중 54명이 RYONCIL 치료를 받았다. 치료받은 환자(n=54)의 인구학적 특성은 다음과 같았다. 연령 중앙값은 7세(범위: 생후 7개월~17세)였으며, 여성은 36%였다. 인종 분포는 백인 56%, 기타(other) 19%, 흑인 15%, 아시아인 6%, 미국 원주민 또는 알래스카 원주민 6%였으며, 히스패닉은 33%, 비히스패닉은 65%였다.

동종 조혈모줄기세포이식을 시행하게 된 기저질환은 혈액악성종양이 67%, 비악성 질환이 33%였다. 등록 당시 SR-aGVHD의 중증도는 Grade B 11%, Grade C 43%, Grade D 46%였으며, 장기 침범 양상은 피부 단독 26%, 하부 위장관 단독 39%, 다장기 침범 35%였다. 등록 시점까지 스테로이드를 투여받은 기간의 중앙값은 8일(범위: 2~46일)이었다.

본 연구의 주요 유효성 평가변수(primary efficacy endpoints) 는 투여 28일째(Day 28)의 전체반응률(Overall Response Rate, ORR) 로, 완전반응률(Complete Response, CR) 과 부분반응률(Partial Response, PR) 을 포함하였다. 또한 반응 지속기간(Duration of Response) 도 주요 평가변수로 분석하였다.

연구의 유효성 결과는 표 4(Table 4) 에 제시되어 있다.

기저 질환 중증도에 따른 투여 28일째(Day 28) 전체반응률(Overall Response Rate, ORR) 은 다음과 같았다. Grade B 환자에서는 6명 중 3명(50%), Grade C 환자에서는 23명 중 16명(70%), Grade D 환자에서는 25명 중 19명(76%) 이 전체반응을 달성하였다.

전체반응을 보인 38명의 환자를 대상으로 반응 지속기간을 분석한 결과, Day 28에서 반응이 확인된 시점부터 사망 또는 급성 이식편대숙주병(aGVHD)에 대한 추가 전신치료가 필요하게 될 때까지의 중앙기간(median time)은 111.5일(범위: 9일~182일 이상)이었다.

여기서 추가 전신치료(systemic therapy)는 RYONCIL 이외의 전신 치료를 새롭게 시작하거나, 또는 메틸프레드니솔론 2mg/kg/day 또는 이에 상응하는 용량까지 코르티코스테로이드를 증량한 경우로 정의하였다.

이 결과는 RYONCIL에 반응한 환자의 상당수에서 약 3.7개월 이상 치료반응이 유지되었으며, 일부 환자에서는 182일 이상 반응이 지속되었음을 보여준다. 특히 중증 환자인 Grade C 및 Grade D에서도 각각 70%와 76%의 높은 Day 28 전체반응률을 나타내어, RYONCIL이 스테로이드 불응성 급성 이식편대숙주병(SR-aGVHD) 환자에서 의미 있는 치료 효과를 제공할 수 있음을 시사하였다.

라이온실 승인은 줄기세포치료제의 새로운 패러다임을 어떻게 제시하는가?

2024년 12월 18일 미국 FDA는 동종 골수 유래 중간엽기질세포(Mesenchymal Stromal Cell, MSC) 치료제인 라이온실(Ryoncil®, remestemcel-L-rknd)을 생후 2개월 이상의 소아 스테로이드 불응성 급성 이식편대숙주질환(Steroid-Refractory Acute Graft-versus-Host Disease, SR-aGVHD) 치료제로 승인하였다. 라이온실은 미국에서 최초로 승인된 MSC 치료제라는 점에서 중요한 의미를 가진다.

이번 승인은 단순히 하나의 새로운 세포치료제가 허가되었다는 의미를 넘어, 줄기세포치료제의 치료 개념과 개발 방향이 변화하고 있음을 보여주는 상징적인 사건으로 평가할 수 있다.

초기 줄기세포치료는 투여된 줄기세포가 손상 조직에 장기간 생착한 후 필요한 세포로 분화하여 조직을 직접 대체하거나 재생한다는 개념을 중심으로 발전하였다. 그러나 지난 20여 년간 축적된 연구에 따르면, 정맥으로 투여된 대부분의 MSC는 체내에 장기간 생존하거나 손상 조직에 안정적으로 생착하여 기능성 조직세포로 분화하는 비율이 제한적이다.

그럼에도 여러 질환에서 MSC 투여 후 항염증 및 조직보호 효과가 관찰되면서, MSC의 치료효과는 세포의 직접적인 분화와 조직 대체보다는 주변 미세환경을 조절하는 생물학적 작용에 의해 나타난다는 개념이 주목받게 되었다. 이에 따라 MSC는 단순한 ‘조직 재생용 줄기세포’라기보다 다양한 생리활성 물질을 분비하는 일종의 살아 있는 생물학적 조절체(living biological regulator) 또는 약물전달체로 이해되고 있다.

MSC는 사이토카인(cytokines), 성장인자(growth factors), 케모카인(chemokines), 지질 매개체 및 다양한 분비단백질을 방출하며, 세포외소포(Extracellular Vesicles, EVs)를 통해 단백질, 지질, mRNA 및 microRNA 등의 생리활성 물질을 주변 세포에 전달한다. 이러한 분비체(secretome)는 면역세포의 활성과 염증반응을 조절하고, 세포사멸을 억제하며, 혈관신생과 조직 회복에 유리한 미세환경을 형성하는 데 관여하는 것으로 알려져 있다. 따라서 MSC 치료의 중심 개념은 투여 세포가 직접 조직을 구성하는 세포대체(cell replacement)에서, 세포가 분비하는 물질을 통해 치료 효과를 유도하는 주변분비(paracrine signaling) 및 면역조절(immunomodulation)로 이동하고 있다.

라이온실의 승인 적응증은 이러한 변화를 잘 보여준다. 급성 이식편대숙주질환은 공여자 유래 면역세포가 환자의 피부, 간 및 위장관 등의 정상 조직을 공격하여 발생하는 중증 면역질환이다. 따라서 치료의 핵심은 투여된 MSC가 손상 조직으로 분화하는 것이 아니라 과도하게 활성화된 면역반응과 염증성 조직 미세환경을 조절하는 데 있다.

MSC는 실험적 연구에서 활성화된 T림프구의 증식과 염증성 사이토카인 생성을 억제하고, 조절 T세포(Regulatory T Cell, Treg)의 기능을 촉진하며, 수지상세포, 자연살해세포(Natural Killer Cell, NK Cell) 및 대식세포의 활성을 조절하는 것으로 보고되어 왔다. 또한 대식세포가 염증 촉진성 표현형보다 항염증 및 조직회복성 표현형을 나타내도록 유도할 가능성도 제시되고 있다. 다만 라이온실의 정확한 생체 내 작용기전은 완전히 규명되지 않았으며, 이러한 면역조절 작용이 실제 임상효과에 어느 정도 기여하는지는 지속적인 연구가 필요하다.

그럼에도 라이온실의 승인은 MSC의 임상적 가치가 반드시 높은 분화능이나 장기 생착능에 의존하지 않는다는 점을 보여준다. 즉, MSC의 중요한 치료적 특성은 손상 조직을 직접 구성하는 재생능(regenerative capacity)뿐만 아니라 염증반응과 면역세포의 기능을 조절하는 면역조절능(immunomodulatory capacity)에 있다는 사실을 임상개발 측면에서 뒷받침한 사례라 할 수 있다.

이러한 변화는 향후 줄기세포치료제의 개발 전략에도 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 살아 있는 MSC를 직접 투여하는 기존 방식은 공여자 간 생물학적 차이(donor variability), 배양 조건에 따른 세포 특성 변화, 제조 배치 간 품질 변동(batch-to-batch variability), 동결·해동에 따른 생존율과 기능 저하, 보관 및 운송의 어려움, 투여 후 체내 분포의 불확실성 및 신뢰성 있는 역가시험(potency assay) 확립의 어려움 등의 한계를 가지고 있다.

이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로 MSC 유래 EV와 기타 분비체를 이용한 무세포치료제(cell-free therapy)가 주목받고 있다. EV는 살아 있는 세포와 달리 증식이나 비정상적 분화 가능성이 없고, 상대적으로 보관과 운송이 용이하며, 특정 유효성분이나 작용기전에 기반한 품질관리가 가능할 수 있다는 장점이 있다. 또한 세포를 유전적으로 조작하거나 배양 조건을 최적화하여 특정 치료물질이 풍부한 EV를 생산하는 방식으로 발전할 가능성도 있다.

그러나 EV가 세포치료제보다 본질적으로 표준화가 쉽다고 단정하기는 어렵다. EV는 세포의 종류, 공여자, 배양배지, 산소농도, 배양기간, 분리·정제방법 및 보관조건에 따라 입자의 수, 크기, 구성성분과 생물학적 활성이 크게 달라질 수 있다. 특히 엑소좀(exosome)은 EV의 형성과정이 확인된 특정 하위집단을 의미하므로, 단순히 크기가 작은 EV를 모두 엑소좀으로 표현하는 것은 적절하지 않다. 따라서 실제 의약품 개발에서는 ‘엑소좀’보다 ‘세포외소포’라는 용어를 우선 사용하고, 해당 제품의 생성기전과 특성이 충분히 확인된 경우에만 엑소좀으로 규정하는 것이 바람직하다.

Giebel 등은 라이온실이 EV 치료제가 아님에도 불구하고 그 FDA 승인을 치료용 EV 분야의 중요한 이정표로 평가하였다. 이들은 라이온실의 승인이 MSC와 그 분비산물의 치료 가능성에 대한 관심을 높이고, 향후 MSC 유래 EV 치료제 개발을 촉진하는 계기가 될 수 있다고 보았다.

다만 라이온실의 승인을 MSC 유래 EV 치료제에 대한 FDA의 유효성 또는 안전성 인정으로 확대 해석해서는 안된다. 라이온실은 살아 있는 동종 MSC를 유효성분으로 하는 세포치료제이며, EV는 별도의 제조공정과 품질특성을 가진 독립적인 의약품이다. 따라서 라이온실의 승인이 EV 치료제의 규제 요건을 직접 확립한 선례라고 보기는 어렵다. 오히려 이는 세포의 치료효과를 분화능만으로 설명하지 않고, 면역조절과 분비체 작용을 포함한 복합적인 생물학적 기능으로 평가해야 한다는 개념적 선례를 제공한 것으로 이해하는 것이 타당하다.

향후 MSC 기반 치료제는 크게 세 방향으로 발전할 가능성이 있다. 첫째, 살아 있는 MSC의 면역조절 및 조직보호 기능을 활용하는 세포치료제이다. 둘째, MSC 유래 EV와 분비체를 이용하는 무세포치료제이다. 셋째, 유전자 조작이나 배양 전처리를 통해 특정 치료기능을 강화한 차세대 MSC 또는 공학적 EV 치료제이다. 이러한 치료제의 성공적인 개발을 위해서는 작용기전과 연계된 핵심품질특성(Critical Quality Attributes, CQAs)을 규명하고, 제조공정의 표준화, 배치 간 일관성, 생체분포, 유효용량 및 장기 안전성을 평가할 수 있는 체계를 마련해야 한다.

특히 역가시험은 단순히 세포 수나 EV 입자 수를 측정하는 수준을 넘어, 제품이 목표로 하는 임상적 작용을 실제로 반영해야 한다. 예를 들어 면역질환 치료제라면 T세포 증식 억제, 염증성 사이토카인 감소 또는 대식세포 기능 조절과 같은 생물학적 활성을 측정하는 시험이 고려될 수 있다. 다만 하나의 시험만으로 MSC나 EV의 복합적인 작용을 모두 설명하기 어려우므로, 세포 또는 입자의 특성, 주요 유효성분과 기능적 활성을 함께 평가하는 다중지표 기반의 역가평가 체계가 필요하다.

결국 라이온실의 FDA 승인은 줄기세포치료의 중심 개념이 ‘세포를 이용한 직접적인 조직 재생’에서 ‘세포의 면역조절 및 분비 기능을 이용한 질병 미세환경의 조절’로 확대되고 있음을 보여주는 중요한 사건이다. 이는 직접적인 세포대체치료의 가능성을 부정하는 것이 아니라, 줄기세포의 치료적 가치가 분화능 외에도 주변분비, 면역조절, 조직보호 및 미세환경 재구성과 같은 다양한 기능에서 나타날 수 있음을 의미한다.

앞으로 줄기세포치료제는 살아 있는 세포 기반 치료와 EV·분비체 기반 무세포치료가 상호 보완적으로 발전할 것으로 전망된다. 이 과정에서 제조공정의 표준화, 품질 일관성 확보, 작용기전과 연계된 역가시험의 확립 및 장기 안전성 검증이 차세대 줄기세포치료제 개발의 핵심 과제가 될 것이다.

참고문헌
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