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줄기세포: 희망과 과장

 

이는 정치적으로 매우 민감한 문제여서 실제 이루어지고 있는 진전과 타개책에 관해 누가 바른 말을 하고 있는지 알기 어렵다.


TIME
이 문제를 정리하였다.

2006 730

 

 

처방전이 없을 땐 희망이 약이다. 한 사지마비 환자는 스스로에게 치료방법 발견은 가능성의 문제가 아니라 언제 발견하느냐 하는 시간의 문제라고 말한다. 누가, 구원은 아직도 10년 내지 15년이 걸린다고 말하려 하겠는가? 마침내 연구자들은 마비된 쥐에게 줄기세포를 주사하고 척수가 어떻게 치유되는지를 관찰하고 있다. “줄기세포로 마비된 동물들이 이미 치유되었습니다.” 라고 [크리스토퍼 리브]는 사망 일주일 전에 한 상업광고에서 선언하였다.  

 

무시무시한 질병에 걸려 치유가 요원할 때 정확한 희망의 복용량은 얼마인가? 지난달 [죠지 더블유 부쉬] 대통령이 인간 배아줄기세포 (ESC)연구자금을 확대했을지도 모를 법안에 대해 거부권을 행사했을 때, 의사들은 1년 또는 2년을 더 지탱할 수 있을지 확신이 없다고 말하는 [파킨슨병] 환자들의 전화를 받았다. 의사는 최상의 경우를 가정했을 때, 치유는 적어도 10년은 더 걸릴 것이며, 희망이 증거를 대체할 수는 없으며, 줄기세포과학은 아직 초기단계에 있다라고 대답할 수 밖에 없었다.

희망과 애매함을 섞는 것은 과학의 특성이다. 과대약속을 하고는 나중에 뒤처리를 하는 것이 정치의 특성이다. 하지만 줄기세포과학의 정치는 다르다. [부쉬]를 비롯한 배아줄기세포(ESC)연구 반대자들은 생명을 구하기 위해 생명을 파괴한다고 주장하는 반면, 지지자들은 구할 수 있는 생명을 생각할 때 8세포 배아는 한 인간으로 볼 수 없다고 주장한다. 반대자들은 배아연구에 대한 약속은 과잉 판매되었다고 말하며, 이는 골수와 탯줄에서 채취된 성체줄기세포로부터 얻었음을 지적한다. 지지자들은 성체줄기세포의 사용은 아직 한계가 있으며, 줄기세포의 가능성을 완전히 실현하기 위해서는, 버려지는 여분의 불임 치료용 배아연구를 통해서만이 배울 수 있는, 줄기세포가 어떻게 작용하는가에 관해 더 많은 것을 알아야만 한다고 반박한다.

엎치락뒤치락 정치는 과학을 종용하고, 과학은 이를 다시 반박한다. 줄기세포연구는 사실(facts) 그 자체가 투표에 부쳐지고, 데이터와 정견 (dogma)이 씨름하는, 공중의 구경거리가 된 분야인 지구온난화와 진화과학의 부류에 합류하였다. 성체줄기세포에서 놀라운 성공을 거둔 과학자들은 배아연구는 비 도덕적일 뿐만 아니라, 불필요 하다고 주장하는 사회운동가들에 의해 자신들의 연구성과가 이용되고 있음을 발견한다. 하지만 현장에 있는 연구자들은 모든 분야에서 밀어 부치는 것이 유일한 해답임을 발견한다. “성체줄기세포와 배아줄기세포 지지그룹들이 있는데, 이들은 정치에서만 존재하며, 과학자들은 중요한 의학적 문제들을 해결하기 위해 두 영역 모두 탐구해야 한다는 것에는 의견을 달리하지 않는다.”라고 하버드 줄기세포 연구소의 공동 소장인 [더글러스 멜톤]은 말한다.

이 모든 함정에 빠진 사람들은 환자들과 유권자들로, 과학은 불투명하고 가치들은 얽혀있기 때문에 이들 주장들을 저울질 하는데 애를 먹고 있다. 더 이상의 진전을 기꺼이 막으려는, 지구가 납작하다고 우기는 사람들과, 한계를 경멸하는 무모한 사람들 중간쯤에, 줄기세포 연구에 일반적으로는 동의하면서도 윤리적 문제에 와서는 불편해 하는 사람들이 자리하고 있다. 배아세포만이 무한적 복제가 가능하고, 200가지 이상의 조직으로 성장할 수 있는 능력을 가지고 있기 때문에, 성체줄기세포연구는 도덕적으로 괜찮으나 임상적으로는 한계가 있다. 버려질 배아로부터 지식을 얻는 문제와는 별도로, 계속적인 진전을 위해서는 불임 치료병원이 제공할 수 있는 것보다 휠씬 더 많은 양의 새로운, 건강한 배아 공급이 필요하다는 것을 과학자들은 인정한다. 실험용 배아를 만들기 위해 사람들에게 부탁하고 나면 사람들의 지지는 감소할 것이다.

그러면 [부쉬]가 처음으로 연방기금을 제공하고, 기금의 사용처를 엄격히 제한한지 5년 후 이 문제는 어떤 위치에 있는가?

관료주의가 과학발전을 저해하다.
2001
8 [부쉬]는 자신의 텍사스 목장에서 행한, 저녁 황금시간 연설에서 과학자들이 이미 수립한 배아줄기세포를 연구하는 연구자들에게 연방기금을 지원할 수 있으나, 새로운 세포주를 수립하는 데는 연방기금을 사용할 수 없다고 발표하였다. 그는 “여기에는 적어도 하나의 희망적인 부분이 있다.”라고 선언하였다. 그 연설은 정치적으로나 과학적으로 하나의 획기적인 사건이었다. 이는 민주당에게 흔치 않은 선물을 주었다: 이는 공화당을 분열시키고, 스스로 진보정당으로 선언한 민주당을 단결시키는 분열적인 이슈였다. 5년 후 중간 평가가 다가오고 있는 가운데, 그들은 이 이슈를 신정주의자들에 반대하는, 실제에 근거한 공동체를 대표하는 증거로 이용하기를 희망한다. [코네티킷]에서 [캘리포니아]에 이르는 주들은 충분한 기금으로 연구를 계속하고 있고, 미국 인재가 싱가포르, 영국, 대만과 같은 나라로 빠져 나가는 것을 늦추기 위해 개입을 시도하였다. 한편 다른 자금 지원 원천을 가진 생물공학 사기업들과, 연구 대학들은 공공기금에 관련된 규정의 저촉을 받지 않기 때문에 배아를 원하는 만큼 만들고 파괴하는 것은 자유다.

승인된 “대통령 측(대통령이 연방지원을 한)” 세포주를 연구하기로 선택한 과학자들에게 있어, 기금은 좌절에 싸여 온다. 오늘날 성장 가능한 세포주는 12개 밖에 없으며, 이는 유전적 다양성을 제한한다. 이들 세포주들은 오래 되어서 잘 자라지 못하며, 한물간 방법으로 배양되었다. 더 심각한 것은, 시간의 경과에 따라 염색체가 미세하게 변화하며, 이는 ‘정상상태”을 유지하는 세포의 능력을 손상시킨다. 이들 세포주들이 수립되었던 1960년대 “우리는 줄기세포 성장에 관해 아는 것이 많지 않았다. 그것들은 새 세포주들이 할 수 있는 것을 할 수 없다.” 라고 하버드 대학 줄기세포연구소의 주 연구원인 [케빈 에건]은 말한다. [존스 홉킨스]의 암 연구원인 [커트 시빈]은 지난 수 연간 지배적 세포주를 백혈병과 기타 다른 혈액 관련 지병을 치료하는데 사용할 수 있는 혈액세포로 분화 시키는 것을 시도하였다. 하지만 세포의 나이와 상태가 계속적으로 하나의 장애가 되어왔다. “우리는 1.0버전이 아니라 3.3버전을 원한다.” 라고 그는 말한다.

과학자들의 말에 의하면, 대통령 쪽 세포주들은 시간뿐만 아니라 돈만 허비하고 있다. 샌디에고 캘리포니아 대학의 [라리 골드스테인 실험은]은 점들을 연결하는 실제 게임이다. 각 기계, 세포 접시, 화학약품과 모든 주요 장비에는 점들로 색깔이 표시되어 있으며, 이는 연구자들이 정부가 지원하지 않은 실험을 위해 장비를 시용할 수 있는지 여부를 알려주기 위한 것이다. [골드스테인] 팀은 한 대 $200,000하는 장비에 의존하는 암에 관한 실험을 하고 있다. 그들은 신뢰가 덜한 결과를 산출하는, 승인된 세포주를 이용하거나, 아니면 사적 기금으로 다른 기계를 구입하는 경우, 새로 수립된 세포주를 사용할 수도 있다. “이는 속박이며 바보 같은 짓이다. 당신의 부엌에 있는 냄비로 수프를 끓일 수 없도록 이와 같이 (도구들이) 배치되어 있다고 상상해 보세요.” 라고 [골드 스테인]은 말한다.

미국의회는 불임환자들이 기부한 여분의 배아연구를 위한 기금을 허용하는 법안 문제를 다루려 하였다. 하지만 [부쉬]가 그 법안에 대해 거부권을 행사하지 않았다 하더라도 세포주 공급문제를 해결하지는 못했을 것이다. 한 연구의 추정에 의하면, 잘해야 한 2백 개의 세포주를 남은 IVF 배아로부터 추출할 수 있을 것이며, 이들은 환자에게 이식된 것들보다 약한 경향이 있다. 이를 불임 부부로부터 추출했다는 바로 그 사실은 그것들이 전형(정상)적인 것들이 아니며, 섬세한 세포의 경우 냉동하고 해동하는 과정이 어렵다는 것을 의미한다.


하나의 문제해결은 새로운 문제를 만들었다.
[
부쉬]의 명령 여파로 하버드 대학은 불임시술 배아로부터 약100개의 새 세포주를 수립하기 위해 민간기금을 사용하기로 결정하였는데, 이 연구는 전 세계의 연구자들과 함께 진행하고 있다. 다양성이 절실한 과학자들은 이를 덥석 문다. “모든 배아줄기세포주가 똑 같이 수립되는 것은 아니다. 어떤 것들은 심장 세포와 같은 특정 세포로 더 잘 분화하는가 하면, 어떤 것들은 신경세포로 더 잘 분화된다. 우리는 이것이 어떻게 발생하는지 알지 못하나, 우리가 다양한 세포주를 필요로 하고 있음을 의미한다.” 라고 샌프란시스코 캘리포니아 대학의 재생의약 연구소를 운영하고 있는 [아놀드 크리그스테인] 박사는 말한다. 하버드 대학은 동시에 세포연구를 위한 또 하나의 전선을 열었다. 철저한 윤리 검토를 마친 후 연구자들은 이번 여름 체세포 핵 치환 또는 치료적 복제를 통해 새로운 세포주들을 수립할 것이라고 발표하였다. 이 과정에서, 예를 들면, 당뇨병 환자의 세포를 핵이 제거된 수정되지 않은 난자에 삽입하고, 충격을 주어 줄기세포를 수확할 수 있을 때까지 배양 접시에서 몇 일간 자라도록 배양하는 것이다. 이들 세포들은 불임 시술 배아와는 달리 환자의 DNA와 잘 맞으므로, 신체가 이식된 것을 거부할 가능성은 더 낮다. 하지만 연구자들을 더 흥분되게 하는 것은 이 방법을 이용하여 (배양)접시에서 완전히 질병에 걸린 배아를 생산할 수 있는데, 이는 질병이 아주 초기에 어떻게 진전되는지를 밝혀줄 것이다.

긴 약속은 끝이 없다. 하지만 당장의 장벽은 높다. 핵 치환을 통해 인간 줄기세포주를 수립하는데 성공했다고 주장한 유일한 사람은 한국인 과학자였는데, 이는 이후 사기로 판명되었다. 이 과정을 숙달하기 위해서는 많은 시행착오가 있을 것이며, 특히 비용 이외 난자 제공자에게 배상하는 것이 윤리적으로 부적절한 것으로 드러난 이후, 실험을 위한 인간 난자를 어디서 구할 것인가? 그리고 배아복제기술을 완전이 습득할 수 있다 하더라도 의회가 이를 허락할지?

새로운 해결책의 추구
정치적인 장애물을 피해가기 위해, 과학자들은 윤리적으로 덜 문제되는, 다른 세포공급원을 찾고 있는데, 이상적인 것으로는 배아를 전혀 파괴하지 않는 것이다. 한 방법은 “변화된 핵 치환”으로, 이 경우 CDX2로 알려진 유전자를 세포가 난자와 융합하기 전에 제거하는 것이다. 이는 배아가 줄기세포를 생산할 때까지만 살다가 죽도록 하는 것이다. 생명윤리 대통령 자문위원인 [윌리엄 헐벗] 박사가 촉진하는 이 전략 또한 비판자들이 있다. Advanced Cell Technology 사의 생명공학자 [로버트 랜자] 박사는 “과학적 또는 의학적 이유가 아니라, 순전히 종교적인 이슈를 다루기 위해” 의도적으로 불구의 인간배아를 만드는 것은 비윤리적이라고 간주한다. 가장 흥분되는 새로운 가능성은 배아 근처에 아예 가지도 않는 것이다. 교토 대학의 [쉰야 야마나카] 박사는 성체피부세포를 취해, 배양 접시에서 네 가지의 성장 요소로 배양하여, 줄기세포를 생산할 수 있는 배아와 같은 물질로 변환 시키는데 있어 감질나는 성공을 보고하였는데, 이는 방법과 목표에 대한 모든 논란을 피해갈 수 있게 할 것이다.

비록 과학자들이 건강한 세포주의 이상적인 공급원을 발견한다 하드라도, 어떻게 이들을 원하는 조직으로 유도해 낼 것인지 배워야 할 것들이 많다. 신경 손상으로 인한 떨림으로 고통 받는 파킨슨병 환자들이 대체 뉴런(신경단위)의 혜택을 받을 수 있는 한편, 인슐린을 생산할 수 없는 당뇨병 환자들은 새로운 췌장 미세 세포로 혈당을 조절할 수 있을 것이다. 하지만 현재까지는, 비록 인간세포를 이용한 동물연구가 진행 중이기는 하지만, 사람에게 안전하게 이식 할 수 있을 만큼 신뢰할 만한 인간배아줄기세포는 분화시키지 못했다. 당연히 인간 실험에 가장 근접한 그룹은, 정부지원을 받지 않는 생명공학 산업분야이다. [저론] ESC에 근거한 치유에 의존하는 첫 인간 실험을 곧 신청할 것이라고 주장한다. 이는 신경세포 몸통에서 연장되어 나온 긴 돌기 부분을 위해 뉴런을 생산하고, 미엘린 인슐린을 제공하는 별 모양의 조상 신경세포를 만들기 위해 줄기세포를 사용한다. [랜즈] 그룹은 또한 3가지의 세포에 기반한 치유를 위한 임상실험을 FDA에 곧 신청을 할 것이다. 하나는 피부 반점 퇴화를 위한 것이고, 또 하나는 심장근육 회복을 그리고 나머지 하나는 피부 재생을 위한 것이다. 학계는 진 것이 아니라, 단지 몇 발작 뒤처져 있을 뿐이다. 뉴욕 시의 Memorial Sloan-Kettering [로젠 스튜더]은 줄기세포를 파킨슨병의 영향을 받은 거의 모든 형태의 세포로 분화시킬 수 있었으며, 이를 생쥐에 이식하였더니 쥐들의 움직임이 향상되었다. 다음에는 줄기세포를 원숭이에게 이식할 계획을 가지고 있다.

새로운 분야에 대한 위험

하지만 과학자들이 인간실험에 근접할수록 환자들의 안전문제에 대한 FDA의 염려는 더 크질 것이다. 정부는 줄기세포가 어떻게 성장하였으며, 그 과정에 사용된 동물제품으로부터의 오염 위험이 있었는지 살펴볼 것이다. 관계당국은 줄기세포가 인간 신체에서 어떻게 작용하는지 자료를 원한다. 줄기세포는 암으로 변하는 놀라운 능력을 보여주었다. 이들이 원치 않은 영역으로 이동할 것인지? 아무도 모른다. 인간 시험을 할 때까지는 확신할 수 없다. 하지만 실험과정에서 인간에게 해가 없을 것이라고 어느 정도 확신을 갖기까지는 인간을 대상으로 실험하기는 어려울 것이다.

인간을 대상으로 하는 실험이 시작된 이후, 이식된 줄기세포가 정확히 기능하는지 정확히 판단할 수 있는 방법은 없다. “췌장을 재생하기 위해 줄기세포를 이식한 경우, 혈액에서 인슐린이 생성되는지를 측정할 수 있을 것이다. 하지만 줄기세포가 암으로 성장했는지 또는 성장할 가능성이 있는지는 알 수 없을 것이다.” 라고 UCLA의 줄기세포생물의학 연구소의 [오엔 위트] 소장은 말한다. 해서 과학자들은 이식된 줄기 세]포들의 활동을 추적하는 표시 시스템 개발을 추구하고 있다.

성체 줄기세포의 미래와 함정
과학자들이 배아 연구를 밀어 부치고 있을 때, 흥미로운 뉴스가 가장 덜 논란적인 곳으로부터 나왔다. 즉 탯줄 혈액과 태반, 심지어는 완전히 성장한 조직에서 추출한 줄기세포가 그것이다. 비록 배아줄기세포만큼 용도가 다양하지 않지만, 탯줄과 태반줄기세포는 과학자들이 애초에 생각한 것보다는 더 가치 있는 것으로 증명이 되었다. 비록 탯줄혈액과 태반 줄기세포의 90%는 혈액과 면역 시스템을 위한 선구(先驅: 즉 혈액과 면역 조직으로 성장하는 것) 이지만, 나머지 10%는 간, 심장근육, 뇌세포 등을 만든다. 지난 5년 동안 탯줄 혈액 이식은 혈액 관련 질병, 특히 맞은 골수를 구할 수 없는 경우, 골수 이식의 대안으로 점점 더 많은 인기를 얻고 있다.

첨단 과학과 지금 어떤 것들이 가능한지에 대해 알고 싶으면 듀크 대학 의료센터의 [죠안 쿠쯔버그] 프로그램을 방문하기 바란다. 10년 전에는 거의 치명적이었던 혈액 질병에 걸린 아동은 이런 질병을 쉽게 치료할 수 있는 탯줄혈액 이식수술을 받는다. 현재 이들 팀은 심장, 뇌 그리고 간 질병을 다루기 위해 탯줄혈액세포를 분화 시킴으로써 더욱 더 목표 지향적 접근법을 취하고 있다. “탯줄 혈액 세포는 조직 회복과 재생을 위해 전망이 밝지만, 이는 10년에서20년 정도 걸릴 것으로 생각한다.”라고 [쿠쯔 버그]는 말한다. 탯줄 혈액세포보다 덜 다양한 것이 성체줄기세포인데, 과학자들은 최근까지 줄기세포의 원천 즉, 예를 들면 척수로부터 추출한 혈액과 면역세포를 재현한 세포형태를 재생하는 것 이상은 할 수 없을 것이라고 생각하였다. 그럼에도 불구하고 성체줄기세포가 치료의 강력한 원천이 될 수 있다고 믿는 과학들도 있다. “경우에 따라서는 줄곤 배아줄기세포까지 가고 싶지 않을 것이다. 더 구체적이고 오류 가능성이 낮은 무언가를 원할 것이다. 뇌에 세포를 주입 하였는데 나중에 이것이 뼈로 성장한 것을 발견하는 것은 원치 않을 것이다.” 라고 [쿠쯔 버거]는 말한다.

대만의 과학자들이 심장병 환자의 혈액으로부터 줄기세포를 취하여, 실험실에서 배양한 뒤 다시 환자의 심장에 주입 하였더니 손상된 부분이 치유되기 시작하였다. 지난 주 두 명의 UCLA 과학자들은 지방조직에서 추출한 성체세포를 수 많은 조직들의 기능을 보조하는 매끄러운 근육 세포로 변환 시킬 수 있음을 보여주는 연구를 발표하였다. 이 분야에서의 발전이 환영 받는 가운데, 성체줄기세포는 매우 정치적이며, 실제 희망과 거짓 희망의 합성을 초래한다. “특정한 성체줄기세포의 광범위한 사용을 주장하는 연구 논문들이 있는가 하면, 배아줄기세포를 연구하지 말아야 하는 충분한 이유가 있다고 말하는 사람들도 있으며, 이들 주장들 중에는 과장된 것들이 많다.” 라고 [히트,]는 말한다.

하지만 실제 이 분야에 믿음을 가진 과학자들은 맨허턴 프로젝트 연구접근법을 주장하는 열망적인 정치인들을 반박한다. “굳이 말한다면, 생물학은 원자를 쪼개는 것보다 휠씬 더 복잡하다. 맨허턴 프로젝트의 물리학들은 목적 달성을 위해 무엇이 필요하며, 어떻게 그것을 측정하는지를 알고 있었다. 생물학에서 우리는 측정 도구들과 결과 도구들을 동시에 같이 개발하고 있다.” 라고 [히트]는 말한다. 실제 연방정부가 통제하는 거대한 중앙집중적 노력은 득보다 실이 더 많다. 여기서 열쇠는 광범위한 분야의 과학자들이 자신의 영역을 넘어 연구할 수 있도록 하는 것이다. 줄기세포와 같이 불가능할 정도의 복잡한 문제와 관련해서, 입법자들과 대통령의 최선의 역할은 과학을 재촉하지도 가로막지도 말고 비켜서서 과학이 숨을 쉬도록 내버려 두는 것일 것이다. 줄기세포의 의미[이 기사는 도식을 포함하고 있는데 타임 책자나 PDF파일을 참고 바람]. 줄기세포는 우리 신체를 이루는 다른 많은 세포들을 생산할 수 있는 자연의 핵심 세포이다. 이들은 스스로 재생할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 이는 이들이 이론적으로는 불멸하며, 충분한 영양분만 공급된다면 영원이 계속 분열할 수 있음을 의미한다. 이들은 매우 유연하기 때문에 파킨슨병과 심장병으로부터 당뇨 심지어는 척수 손상에 이르기까지 다양한 질병을 위한 치료 또는 심지어 완치를 위한 기반으로서 엄청난 전망을 가지고 있다.

배아를 어디서 구할 것인가?

IVF(체외수정) 배아의 여분
미국의 경우, 체외 수정 중에 생산된 400,000개 이상의 유용한 배아가 탱크 속에 냉동된 체 보관되어 있다. 이둘 중 많은 것들이 버려질 것이다. 따라서 이둘 중에 들어 있는 줄기세포를 이용할 수 있을 것이다.

단점,
냉동 과정이 줄기세포 추출을 더 어렵게 만들 수도 있다. 어떤 배아들은 불임 부부에 의해 만들어진 가장 연약한 것들이며, 많은 량의 줄기세포를 산출할 수 없을지도 모른다.

성체줄기세포

유용성: 이들은 혈액, 피부와 뇌를 포함 많은 주요 조직 내에 존재한다. 아들은 어떤 특정한 계통의 세포를 생산하도록 유도될 수 있으며, 배아로부터 추출해야만 하는 것은 아니다.

단점.
이들은 단지 한정된 수의 세포 형태만 생산할 수 있으며, 배양이 어렵다

핵 치환 배아

유용성: 이들 배아는 복제양 돌리를 만든 방법을 사용하여 만들어진다. 환자의 피부 세포를 핵이 제거된 인간 난자에 삽입함으로써 환자 맞춤형 줄기세포를 만들 수 있다. 이런 방법의 치료는 면역거부 반응의 위험이 없다.

단점.
이 과정은 인간 세포의 경우 아직 성공하지 못했으며, 엄청난 량의 시선한 난자가 필요하며, 그런 양을 확보하기가 어렵다.

탯줄 세포
유용성: 비록 이들이 주로 혈액줄기세포로 이루어져 있기는 하나, , 연골, 심장 근육, , 간 조직으로 분화할 수 있는 줄기세포를 또한 포함하고 있다.
성체줄기세포처럼 배어 없이 얻을 수 있다.

단점.
탯줄은 그렇게 길지 않으며 성인을 치료할 만큼의 충분한 양을 가지고 있지 않다.

1
단계, 배아
난자를 수정하거나 복제하여 배아를 만든다. 배아가 분열을 시작한다.

2
단계. 1~5
배아가 더욱 많이 분열되어 배반포라고 불리는 홀쭉한 공 모양을 이룬다.

3단계. 5~7
배아줄기세포가 배반포 안쪽에서 형성되기 시작하여 내부 세포 물질을 만든다.


4
단계. 세포주
세포를 제거하고 배양세포층과 배양 매체로 줄기세포를 기른다.


5
단계. 조직 생산
특수한 환경에서 줄기세포 군을 키우는데, 이 때 영양과 성장요인들을 조절하여 줄기세포를 200가지 이상의 다양한 신체 조직으로 성장시킨다.
췌장 미세세포는 당뇨병을 치료할 수 있다.
근육세포는 손상된 심장을 회복 시키거나 대체한다.
신경세포는 파키슨병, 척수 손상과 뇌졸중을 치료하는 데 사용될 수 있다.


TIME Graphic

With reporting by Reported by Alice Park/New York, Dan Cray/Los Angeles

 

Stem Cells: The Hope And The Hype

The debate is so politically loaded that it's tough to tell who's being straight about the real areas of progress and how breakthroughs can be achieved. TIME sorts it out

 

By NANCY GIBBS

Posted Sunday, Jul. 30, 2006
When there's nothing else to prescribe, hope works like a drug. A quadriplegic patient tells herself it's not a matter of if they find a cure but when. Who's to say whether salvation is still 10 or 15 years away? After all, researchers have been injecting stem cells into paralyzed rats and watching their spinal cords mend. "Stem cells have already cured paralysis in animals," declared Christopher Reeve in a commercial he filmed a week before he died.

But what is the correct dose of hope when the diseases are dreadful and the prospects of cure distant? Last month, when President George W. Bush vetoed the bill that would have expanded funding for human embryonic-stem-cell (ESC) research, doctors got calls from patients with Parkinson's disease saying they weren't sure they could hang on for another year or two. The doctors could only reply that in the best-case scenario, cures are at least a decade away, that hope is no substitute for evidence, that stem-cell science is still in its infancy.

It is the nature of science to mix hope with hedging. It is the nature of politics to overpromise and mop up later. But the politics of stem-cell science is different. Opponents of ESC research--starting with Bush--argue that you can't destroy life in order to save it; supporters argue that an eight-cell embryo doesn't count as a human life in the first place--not when compared with the life it could help save. Opponents say the promise of embryo research has been oversold, and they point to the cures that have been derived from adult stem cells from bone marrow and umbilical cords; supporters retort that adult stem cells are still of limited use, and to fully realize their potential we would need to know more about how they operate--which we can learn only from studying leftover fertility-clinic embryos that would otherwise be thrown away.

Back and forth it goes, the politics driving the science, the science pushing back. Stem-cell research has joined global warming and evolution science as fields in which the very facts are put to a vote, a public spectacle in which data wrestle dogma. Scientists who are having surprising success with adult stem cells find their progress being used by activists to argue that embryo research is not just immoral but also unnecessary. But to those in the field, the only answer is to press ahead on all fronts. "There are camps for adult stem cells and embryonic stem cells," says Douglas Melton, a co-director of the Harvard Stem Cell Institute. "But these camps only exist in the political arena. There is no disagreement among scientists over the need to aggressively pursue both in order to solve important medical problems."

Trapped in all this are patients and voters who struggle to weigh the arguments because the science is dense and the values tangled. Somewhere between the flat-earthers who would gladly stop progress and the swashbucklers who disdain limits are people who approve of stem-cell research in general but get uneasy as we approach the ethical frontiers. Adult-stem-cell research is morally fine but clinically limiting, since only embryonic cells possess the power to replicate indefinitely and grow into any of more than 200 types of tissue. Extracting knowledge from embryos that would otherwise be wasted is one thing, but scientists admit that moving forward would require a much larger supply of fresh, healthy embryos than fertility clinics could ever provide. And once you start asking people about creating embryos for the purpose of experimenting on them, the support starts to slow down.

So where do things stand, five years after Bush provided the first federal funding but radically limited how it could be used?

HOW RED TAPE SLOWED THE SCIENCE

In a prime-time speech from his Texas ranch in August 2001, Bush announced that federal money could go to researchers working on ESC lines that scientists had already developed but no new lines could be created using federal funds. "There is at least one bright line," he declared. The speech was a political and scientific landmark. It gave Democrats that rare gift: a wedge issue that split Republicans and united Democrats, who declared themselves the party of progress. Five years later, with midterms looming, they hope to leverage the issue as evidence that they represent the reality-based community, running against the theocrats. States from Connecticut to California have tried to step in with enough funding to keep the labs going and slow the exodus of U.S. talent to countries like Singapore, Britain and Taiwan. Meanwhile, private biotech firms and research universities with other sources of funding are free to create and destroy as many embryos as they like, because they operate outside the regulations that follow public funds.

For scientists who choose to work with the approved "presidential" lines, the funding comes wrapped in frustration. Today there are only 21 viable lines, which limits genetic diversity. They are old, so they don't grow very well, and were cultured using methods that are outdated. What's more, the chromosomes undergo subtle changes over time, compromising the cells' ability to remain "normal." Back in the late '90s, when the lines were created, "we didn't know much about growing stem cells," says Kevin Eggan, principal faculty member at the Harvard Stem Cell Institute. "They can't do what the newer cell lines can do." Curt Civin, a cancer researcher at Johns Hopkins, has spent the past several years trying to differentiate the presidential lines into blood cells that could be used to treat leukemias and other blood-based cancers. But the age and quality of the cells have been a constant hindrance. "We want to study normal cells," he says. "We're working with Version 1.0. I'd like Version 3.3."

The presidential lines, scientists say, are wasting money as well as time. Larry Goldstein's lab at the University of California at San Diego is a life-size game of connect the dots. Each machine, cell dish, chemical and pretty much every major tool bears a colored dot, signaling to lab workers whether they can use the item for experiments that the government won't pay for. Goldstein's team is working on a cancer experiment that relies on a $200,000 piece of equipment. They can use either an approved cell line that will yield a less reliable result or a freshly created line that would require the purchase of another machine with private funds. "It's a ball and chain," Goldstein says. "It's goofy. Imagine if your kitchen was a mixture like that, where you can't use those pots with that soup."

Congress tried to address the problem with its bill to allow funding for research on any leftover embryos donated by infertility patients. But even if Bush hadn't vetoed the bill, it wouldn't have solved the supply problems. One study estimated that at best, a couple hundred cell lines might be derived from leftover IVF embryos, which tend to be weaker than those implanted in patients. The very fact that they come from infertile couples may mean they are not typical, and the process of freezing and thawing is hard on delicate cells.

SOLVING A PROBLEM CREATED NEW ONES

In the wake of Bush's original order, Harvard decided to use private funding to develop about 100 new cell lines from fertility-clinic embryos, which it shares with researchers around the world. Scientists, desperate for variety, snap them up. "Not all embryonic-stem-cell lines are created equal," says Dr. Arnold Kriegstein, who runs the Institute for Regeneration Medicine at the University of California, San Francisco. "Some are more readily driven down a certain lineage, such as heart cells, while others more easily become nerve. We don't understand how it happens, but it does mean we need diversity."

At the same time, Harvard has opened another battleground in the search for cells. After exhaustive ethical review, its researchers announced this summer that they would develop new cell lines through somatic cell nuclear transfer, or therapeutic cloning. In this process, a cell from a patient with diabetes, for instance, is inserted into an unfertilized egg whose nucleus has been removed; then it is prodded into growing in a petri dish for a few days until its stem cells can be harvested. Unlike fertility-clinic embryos, these cells would match the patient's DNA, so the body would be less likely to reject a transplant derived from them. Even more exciting for researchers, however, is that this technique can yield embryos that serve as the perfect disease in a dish, revealing how a disease unfolds from the very first hours.

The long-term promise is boundless, but the immediate barriers are high. The only people who claim to have succeeded in creating human-stem-cell lines through nuclear transfer were the South Korean researchers who turned out to be frauds. It will take much trial and error to master the process, but where do you get the human eggs needed for each attempt, particularly since researchers find it ethically inappropriate to reimburse donors for anything but expenses? And even if the technique for cloning embryos could be perfected, would Congress allow it to go on?

THE HUNT FOR NEW SOLUTIONS

To get around political roadblocks, scientists are searching for another source of cells that is less ethically troublesome, ideally one that involves no embryo destruction at all. One approach is "altered nuclear transfer," in which a gene, known as CDX2, would be removed before the cell is fused with the egg. That would ensure that the embryo lives only long enough to produce stem cells and then dies. That strategy, promoted by Dr. William Hurlbut, a member of the President's Council on Bioethics, has its critics. Dr. Robert Lanza of biotech firm Advanced Cell Technology considers it unethical to deliberately create a crippled human embryo "not for a scientific or medical reason, but purely to address a religious issue." The most exciting new possibility doesn't go near embryos at all. Dr. Shinya Yamanaka of Kyoto University reported tantalizing success in taking an adult skin cell, exposing it to four growth factors in a petri dish and transforming it into an embryo-like entity that could produce stem cells--potentially sidestepping the entire debate over means and ends.

Even if scientists discover an ideal source of healthy cell lines, there is still much to learn about how to coax them into turning into the desired kind of tissue. Parkinson's patients suffering from tremors caused by damaged nerves could benefit from replacement neurons, while diabetics who can't produce insulin could control their blood sugar with new pancreatic islet cells. But so far, no human ESCs have been differentiated reliably enough that they could be safely transplanted into people, although animal studies with human cells are under way. Not surprisingly, the groups closest to human trials are in the biotech industry, which operates without government funds. Geron claims it is close to filing for permission to conduct the first human trials relying on ESC-based therapy. It is using stem cells to create oligodendroglial progenitor cells, which produce neurons and provide myelin insulation for the long fingers that extend out from the body of a nerve cell. Lanza's group is also close to filing for FDA permission to begin clinical trials on three cell-based therapies: one for macular degeneration, one for repairing heart muscle and another for regenerating damaged skin. Not to to be outdone, the academic groups are just a few steps behind. Lorenz Studer at Memorial Sloan-Kettering Cancer Center in New York City has been able to differentiate ESCs into just about every cell type affected by Parkinson's disease and has transplanted them into rats and improved their mobility. Next, he plans to inject the cells into monkeys.

THE RISKS ON THE NEW FRONTIER

But the closer scientists come to human trials, the more concerned the FDA will be with ensuring patient safety. The government will look at how the cells were grown and whether there would be risk of contamination from animal products used in the process. Regulators want data on how the cells will behave in the human body. Stem cells have shown a dismaying talent for turning into tumors. Will they migrate into unwanted areas? No one knows. You can't find out for sure until you test in humans, but it's hard to test in humans until you can be reasonably sure you won't harm them in the process.

When human trials finally begin, there's no method for precisely determining whether the transplanted stem cells are functioning correctly. "If we transplanted cells to regenerate a pancreas," says Owen Witte, director of UCLA's Institute for Stem Cell Biology and Medicine, "we can measure in your blood if you're producing insulin, but we can't see whether the cells have grown or evaluate whether they might grow into a tumor." So scientists are seeking to develop marking systems that let them trace a transplant's performance.

THE PROMISE AND PITFALLS OF ADULT CELLS
 
Even as scientists press ahead with embryo research, exciting news has come from the least controversial sources: the stem cells in umbilical-cord blood and placentas, and even in fully formed adult organs. While not as flexible as embryonic cells, cord and placental cells have proved more valuable than scientists initially hoped. Although about 90% of cord-blood stem cells are precursors for blood and immune cells, the remaining 10% give rise to liver, heart-muscle and brain cells and more. Over the past five years, cord-blood transplants have become an increasingly popular alternative to bone-marrow transplants for blood disorders, particularly when a bone-marrow match can't be found.

If you want to lean out over the edges of science and marvel at what is now possible, visit Dr. Joanne Kurtzberg's program at Duke University Medical Center. Children with blood diseases that were almost certainly fatal a decade ago have got cord-blood transplants that essentially cure them. Now she and her team are taking a more targeted approach by attempting to differentiate cord-blood cells to address heart, brain and liver defects. "I think cord-blood cells have a lot of promise for tissue repair and regeneration," says Kurtzberg. "But I think it will take 10 to 20 years."

Less plastic than cord-blood cells are adult stem cells, which until recently researchers thought couldn't do much more than regenerate cell types that reflected the stem cells' origin--blood and immune cells from bone marrow, for example. Even so, some scientists believe adult stem cells may prove to be a powerful source of therapies. "In some cases, you may not want to go all the way back to embryonic stem cells," says Kurtzberg. "You may want something more specific or less likely to stray. You wouldn't want to put a cell in the brain and find out later that it turned into bone."

Researchers in Thailand have taken stem cells from the blood of cardiac patients, grown the cells in a lab and reinjected them into patients' hearts, where they set about repairing damage. Two UCLA researchers last week published a study demonstrating that they could transform adult stem cells from fat tissue into smooth-muscle cells, which assist in the function of numerous organs. Welcome as the advances are, the subject of adult stem cells is highly political and invites a conflation of real hopes and false ones. "There are papers that have claimed broad uses for certain adult stem cells, and some people say that is sufficient cause to not work on embryonic stem cells," Witte says. "Many of those claims were overblown."

Even the true believers among scientists, however, dispute eager politicians who have called for a Manhattan Project approach to research. "I hate to say it, but biology is more complicated than splitting the atom," Witte says. "The physicists on the Manhattan Project knew what they needed to accomplish and how to measure it. In biology, we're codeveloping our measurement tools and our outcome tools at the same time." Indeed, a massive centralized effort controlled by the Federal Government could do more harm than good. The key is to have the broadest cross section of scientists possible working across the field. When it comes to such an impossibly complicated matter as stem cells, the best role for legislators and Presidents may be neither to steer the science nor to stall it but to stand aside and let it breathe. [This article contains a diagram. Please see hardcopy or pdf.] Making Sense of STEM CELLS WHAT THEY ARE Stem cells are nature's master cells, capable of generating every one of the many different cells that make up the body. They have the ability to self-renew, which means that they are theoretically immortal and can continue to divide forever if provided with enough nutrients. Because they are so plastic, they hold enormous promise as the basis for new treatments and even cures for disorders ranging from Parkinson's and heart disease to diabetes and even spinal-cord injury

WHERE THEY COME FROM

LEFTOVER OR DEAD-END IVF EMBRYOS

Why they are useful More than 400,000 embryos created during in vitro fertilization lie frozen in clinic tanks in the U.S. Many of them will be discarded, so the embryonic stem cells that exist inside them could be salvaged

Drawbacks The freezing process may make it harder to extract stem cells. Some of the embryos were the weakest ones created by infertile couples and may not yield high-quality stem cells

ADULT STEM CELLS Why they are useful They exist in many major tissues, including the blood, skin and brain. They can be coaxed to produce more cells of a specific lineage and do not have to be extracted from embryos

Drawbacks They can generate only a limited number of cell types, and they are difficult to grow in culture

NUCLEAR-TRANSFER EMBRYOS Why they are useful These embryos are created using the technique that created Dolly, the cloned sheep. Stem cells can be custom-made by inserting a patient's skin cell into a hollowed human egg. Any resulting therapies would not run the risk of immune rejection

Drawbacks The process has not yet been successfully completed with human cells, and it requires an enormous amount of fresh human eggs, which are difficult to obtain

UMBILICAL-CORD CELLS

Why they are useful Although they are primarily made up of blood stem cells, they also contain stem cells that can turn into bone, cartilage, heart muscle and brain and liver tissue. Like adult stem cells, they are harvested without the need for embryos

Drawbacks An umbilical cord is not very long and doesn't hold enough cells to treat an adult

The Process 1 EMBRYO

An egg is fertilized or cloned to form an embryo. The embryo begins to divide

2 1 TO 5 DAYS

The embryo divides into more and more cells and forms a hollow ball of cells called a blastocyst

3 5 TO 7 DAYS

Embryonic stem cells begin to form along the inside of the blastocyst, creating the inner cell mass

4 STEM LINE

The cells are scraped away and grown on a layer of feeder cells and culture medium

5 TISSUE PRODUCTION
Groups of stem cells are nurtured under specialized conditions, with different recipes of nutrients and growth factors that direct the cells to become any of the body's more than 200 various tissues Pancreatic islet cells Could provide a cure for diabetes
Muscle cells Could repair or replace a damaged heart
Nerve cells Could be used to treat Parkinson's, spinal-cord injuries and strokes

TIME Graphic

With reporting by Reported by Alice Park/New York, Dan Cray/Los Angeles

 

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