원문: Lorsch JR, et al. 2014. Fixing problems with cell lines. Science 346: 1452-1453.


세포주(細胞株)에 관한 문제 해결하기


By Jon R. Lorsch, Francis S. Collins, Jennifer Lippincott-Schwartz


생물학과 의학 연구에서 세포배양(細胞培養)의 중요성에도 불구하고, 어떤 세포주가 다른 종류의 세포주(cell line, 細胞株)나 미생물로 오인(誤認)되거나 오염되는 일이 자주 발생하는 사례가 늘고 있다. 이러한 상황은 치료 목표인 암 형태에서 유래한 세포주를 이용해 초기 약물 검사를 진행하는 암연구 같은 많은 분야에서 중대한 문제일 수 있다 [1]. 만일 잘못된 세포주로 약물 검사를 진행한다면, 신뢰할 수 없는 결과를 얻게 되어 효과적인 치료법의 발견이 늦춰질 수 있다. 심지어 기초연구에서조차도 잘못된 세포주의 사용으로 일의 진행이 더뎌질 수 있는데, 이는 (약물에 대한) 세포의 반응이 그 형태에 따라 다양하기 때문이다. 이러한 우려를 고려했을 때, 세포주 오인과 오염을 해결할 교정법을 개발하는 일은 새로워진 관심을 정당화한다.


1960년대 이후로 전 세계에서 널리 사용되는 400여 가지 이상 되는 세포주의 정체가 잘못 확인됐던 것으로 드러났다 [2, 3]. 원래는 한 가지 조직 형태에서 유래했다고 간주된 세포가 다른 종류의 조직에서 유래했음이 나중에 밝혀진 적도 있다. 게다가, 세포가 유래한 종(種)조차도 오인했던 사례도 몇 번 있었다. 두경부암(頭頸部癌)에서 유래한 세포주 122가지를 대상으로 실시한 2011년 연구에 따르면 30%에 해당하는 37가지 세포주가 잘못 확인된 것으로 나타났다 [4]. 미국, 유럽, 아시아에서 큐레이션과 저장을 위한 집적소로 보낸 조직 배양 수집물과 세포를 대상으로 실시한 분석에 따르면 세포주 가운데 적어도 15%가 오인됐거나 오염됐다 [4, 5].


오인된 세포주는 의생명 연구의 여러 단계에서 문제를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 단지 두 종류의 오인된 세포주를 사용한 연구가 미국 국립 보건원(the U.S. National Institutes of Health, NIH)이 제공하는 세 개의 연구지원 프로그램, 두 개의 임상 시험, 열한 개의 특허, 그리고 백여 개 이상의 논문에 포함됐다 [6]. 그럼에도, 세포주 정체성의 확인과 정확한 보고의 필요성에 관해서 연구자 사이에 폭넓게 인식되지 않아 보이는데, 실제로 2013년 연구에 따르면 절반도 안 되는 세포주만이 논문에 확실히 그 정체가 밝혀져 있었다 [7].


다양한 요인이 세포주 오인과 오염 문제의 원인이 된다. 예를 들어, 세포 배양 중에 서로 다른 세포주를 가지고 작업을 할 때 파이펫(pipette)을 한 번 이상 부주의하게 사용하면 교차 오염이 발생할 수 있다. 오염의 원인이 되는 세포주가 원래 세포보다 더욱더 빨리 세포 분열하면, 그 세포가 전체 집단을 재빨리 우점하게 되어 세포주의 정체성이 변한다. 이러한 사건은 출처가 다른 세포의 형태가 서로 비슷할 때 발견되지 않고 그냥 지나칠 수 있다 [사진을 참조]. 배양된 세포는 마이코플라스마(mycoplasma), 바이러스와 같은 미생물체로 오염될 수 있는데, 이러한 일은 세포 반응을 바꿀 수 있다. 최근 분석에 따르면, 5-10%에 달하는 세포 배양 연구가 마이코플라스마로 오염된 세포주를 사용했다. 외부 오염이 없어도 배양 중인 세포주가 시간이 흐르면서 또한 변할 수 있다 [8, 9]. 실험실에서 키우는 세포는 세대를 거듭함에 따라 자신의 표현형을 바꿀 수 있는 염색체 중복 및 재배열, 돌연변이, 후성유전적 변화(epigenetic alteration)를 겪을 수 있다. 이런 요소를 고려했을 때, 예방 단계가 없다면, 세포주의 변화는 피할 수 없으며 잠재적으로 문제가 많다.


이런 점을 우려한 과학자와 연구 기관은 이런 문제를 처리하려고 많은 노력을 해왔다. 2007년, NIH는 세포주 오인 문제로 관심을 이끌고 연구 지원금과 논문 심사위원이 이러한 사안에 특별한 관심을 쏟도록 안내 공고문(Guide Notice)을 공표했다 [10]. 이러한 노력에도 불구하고, 그 문제는 계속 이어지는 것처럼 보인다. 세포주를 인증하는데 필요한 시간과 비용이 아마도 가장 최선의 행동이 널리 채택되는 데 장애물일지도 모른다. 불충분한 교육도 사회적 쟁점과 마찬가지로 일정한 역할을 한다. 예를 들어, 잘못된 세포주의 사용으로 연구에 문제의 소지가 있다는 사실을 과학자 개개인과 그들이 몸담은 분야 모두가 받아들이기란 어렵다. 몇몇 연구자에게 그러한 문제는 특정 연구 초점의 맥락에서 봤을 때 사소한 것처럼 보일 수도 있는데, 결국 모든 세포는 미소관(microtubule, 微小管), 운동 단백질(motor protein), 리보솜(ribosome)을 가지며, 이러한 공통점 때문에 몇몇 과학자는 자신들이 연구하는 특정 세포 유형은 별로 중요하지 않다고 느낄 수 있다. 이러한 사안 덕분에 세포주가 오인되었다는 사실이 공개적으로 알려진 이후에도 연구자가 자신들이 연구에 사용한 세포주를 잘못 확인된 원천에서 왔다고 말하는 연구 논문을 출판하는지 그 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있다 [11번의 리뷰 논문을 참조].


따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 우리가 무엇을 더 할 수 있을까? 자금 지원 기관, 과학계, 학술지, 시약 공급업체, 그리고 연구자 자신을 포함한 생물의학 연구 공동체가 세포주 오인 문제에 더 많은 초점을 맞출 필요가 있으며 그것과 연관된 복잡한 사안을 해결할 새로운 방법을 개발하기 위해 협력해야 한다고 믿는다. 추가적인 연구, 행동의 변화, 개선된 교육, 그리고 신기술 개발에 대한 투자를 결합하는 다면적인 전략이 필요할 것이다.


몇몇 연구기관은 새로운 세포주가 실험실에 도착하자마자 그리고 그 이후로 주기적으로 그 세포주의 정체성을 핑거프린트(fingerprint)로 분석하도록 강력히 추진하고 있다. 운 좋게도, 세포주의 정체성을 확인하는 데 드는 비용은 검사 기술의 개선 덕분에 계속 떨어지고 있다. 세포주 특유의 DNA 염기서열을 식별하기 위한 단기일렬반복 분석법(short tandem repeat analysis, 또는 STR analysis)을 이용하는 방법이 요즘 들어 널리 이용할 수 있다. 이러한 접근법은 값싸고 빠르며, 세포주 정체성 확인을 위해 STR 지문 결과를 비교할 수 있는 온라인 데이터베이스가 존재한다. 예를 들어, ATCC(American Type Culture Collection)는 보유하고 있는 모든 인간 세포주에 대한 STR 데이터베이스를 운영하고 있다. 비록 이 데이터베이스로는 흔히 사용되는 인간 세포주의 정체성만을 인증할 수 있지만, STR은 다른 종에서 유래한 세포주는 구분할 수 없으며, 대부분의 유전적 변화를 확인하는데 필요한 해결책도 없다. It 또한 이러한 분석법은 개별 연구자가 일상적으로 사용하기보다는 거점시설을 운영하는 부서에서 주로 사용하는 기술이므로, 자주 사용하기에 무리가 있다. 따라서 우리에게는 이러한 문제를 해결하기 위한 기술적 개선이 여전히 필요하다.


부분적으로, NIH는 세포주 확인과 그 완전성 유지의 개선을 촉진하는 데 도움이 되는 몇몇 접근법을 고려하고 있다. 첫째, 연구비 지원자는 자신들이 사용하는 세포주의 정체성, 핵심 시약의 조성, 세포의 오염에 관한 문제를 어떻게 해결할 것인지에 관한 정보를 제공할 필요가 있는데, 이것은 모델 동물의 사례와 비슷한 것으로 NIH 연구비 지원 양식에 이미 포함된 계획을 공유하고 있다. 표준 및 최선으로 제시된 지침이 학문과 산업 분야의 연구자, 전문가 사회, 그리고 미국 세포생물학회(the American Society for Cell Biology), 국제 생물표준 연구소(the Global Biological Standards Institute), 및 미국 국립 표준기술 연구소(the U.S. National Institute of Standards and Technology)와 같은 여러 조직과 정부 기관의 도움으로 개발될 것이다.


NIH는 또한 더 빠르고, 더 싸고, 더 쉬운 세포주 확인법과 값싸고, 조성이 결정되어 있으며, 조절 가능한 세포 배양액 등과 같은 세포배양 연구를 위한 개선된 기술 개발에 대한 투자를 고려하고 있다. 시약 공급업체와 장비 제작업체 또한 일정한 역할을 할 필요가 있는 분야가 있다. 덧붙여, NIH는 세포 유형과 유전적 부동과 같은 변수가 생물의학 연구 결과의 재현성과 일반화에 영향을 주는 정도를 확인하기 위한 연구비 기금 조성 방안을 찾고 있다. 최근, NIH 산하의 몇몇 연구소에서 대학과 같은 조직이 좋은 실험실 지침 교육을 활성화할 수 있도록 돕는 계획을 발족했는데 [12], 전문가 사회가 또한 중요할 수 있는 노력의 예라고 할 수 있다. 세포주 인증 문제가 전 세계적으로 나타나는 현상임을 고려할 때, NIH는 세포배양 연구의 재현성과 생명과학 연구에서 실험 설계의 전체적인 엄격성과 관련된 이런저런 문제를 해결하기 위해 미국과 전 세계에 분포하는 연구비 지원 기관이 합심하도록 촉구할 것이다 [13].


학술지와 논문 심사자 또한 중요한 역할을 하는데, 논문 저자가 연구에 사용한 핵심 시약에 관한 세부사항뿐만이 아니라 세포주의 질과 정체성에 관한 자료를 논문에 포함하도록 규정할 수 있다. 몇몇 학술지는 이러한 목적을 확실히 할 수 있도록 지침과 명세표를 채택해왔고 [14], 이러한 것들이 널리 표준적으로 채택될 수 있도록 촉구한다. 물론, 저자 자신들도 연구에 사용한 세포주를 가능한 엄격히 그리고 세심하게 인증하는 것과 다음 세대의 과학자도 같은 과정을 밟도록 가르쳐야 할 책임이 있다.


만일 과학계의 모든 구성원이 함께한다면, 우리는 세포배양 연구의 재현성과 엄격성이 개선될 것이라는 데 확신할 수 있다.


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[그림 설명] 비슷하지만 서로 다른 종(種)에서 유래한 세포. (붉은색의) 원숭이 세포와 (녹색의) 사람 세포가 배양액 안에서 같이 자라고 있다. PHOTO: A. WEIGEL AND J. LIPPINCOTT-SCHWARTZ/NATIONAL INSTITUTE OF CHILD HEALTH AND HUMAN DEVELOPMENT, NIH

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REFERENCES

  1. J. N. Weinstein, Nature 483, 544 (2012).
  2. A. Capes-Daviset al., Int. J. Cancer 127, 1 (2010).
  3. ATCC, The role of ICLAC (International Cell Line Authentication Committee); http://standards.atcc.org/kwspub/home/the_international_cell_line_authentication_committee-iclac_/
  4. M. Zhaoet al., Clin. Cancer Res. 17, 7248 (2011).
  5. R. A. F. MacLeod, H. G. Drexler, Nature 439, 912 (2006).
  6. J. J. Boonstraet al., J. Natl. Cancer Inst. 102, 271 (2010).
  7. N. A. Vasilevskyet al., Peer J. 1, e148 (2013).
  8. S. E. Armstrong, J. A. Mariano, D. J. Lundin, Biologicals 38, 211 (2010).
  9. A. O. Olarerin-George, J. B. Hogenesch, bioRXiv (2014); http://biorxiv.org/content/early/2014/07/11/007054.
  10. NIH Guide Notice, NOT-OD-08-017, November 28, 2007; http://grants.nih.gov/grants/guide/notice-files/NOT-OD-08-017.html.
  11. American Type Culture Collection Standards Development Organization Workgroup ASN-0002, Nat. Rev. Cancer 10, 441 (2010).
  12. NIH Guide Notice, RFA-GM-15-006, 28 August 2014; http://grants.nih.gov/grants/guide/rfa-files/RFA-GM-15-006.html
  13. F. S. Collins, L. A. Tabak, Nature 505, 612 (2014).
  14. M. McNutt, Science 346, 679 (2014).






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