수술기법과 면역억제치료의 발전에 힘입어 장기이식은 생명이 위험한 말기 장기부전 환자에게 궁극적인 유효한 치료법이 되었다. 전 세계적으로 신장, 간, 심장 등 장기이식을 기다리는 중증 장기부전 환자의 수는 늘고 있으나 공여장기 수 증가는 제한되어 이식을 받지 못하고 사망하는 환자의 수가 매년 증가하고 있다. 국립장기이식관리센터 2019년 통계에 따르면 이식대기자는 40,253명으로 전년 대비 12.3% 증가하였다. 대략 14%에 해당하는 5,770명이 장기이식수술을 받았고 2,136명이 이식을 기다리다 사망하였으며 이 수치는 매년 평균 13% 증가하였다[1]. 의료계는 살아있는 공여자의 장기를 이식하거나 ABO혈액행불일치 공여장기를 사용하는 등 공여장기 수를 늘이기 위하여 부단히 노력하고 있으나 근본적인 문제해결은 이루어지지 않고 있다. 이러한 이유로 공여장기를 대체할 인공장기, 줄기세포를 이용한 재생조직, 이종장기 등 여러 방향의 연구가 전 세계적으로 이루어지고 있다. 이러한 시도 중 사람에게 적합하도록 형질전환한 동물의 장기를 사용하는 이종이식이 가장 현실적인 대안으로 제안되었고[2] 마침내 2022년 1월 미국에서 심부전환자에게 형질전환돼지의 심장을 이식하여 환자가 2개월간 생존함을 보고하여 이종이식의 임상적용이 가능함을 보여주었다[3]. 물론 이 이식 예는 치료법이 전무한 환자에서 동정적 허가된 실험적 수술이었고 일반적인 임상적 이종이식이 적용되려면 앞으로 해결하여야 할 많은 문제점이 남아있다. 이 글에서는 이종이식의 지나온 여정을 소개하고 국내 연구 성과와 임상적용 전에 해결해야 할 문제점에 대하여 주로 생물학적, 면역학적 영역으로 제한하여 기술하고자 한다.

이종이식은 수백 년의 역사를 가지고 있다[4, 5]. 1600년대에 양의 혈액을 사람에게 수혈한 적이 있고 1800년대에 돼지의 각막을 사람에 처음 이식하였다. 1960년대에 침팬지 신장이식, 심장이식이, 1990년대에는 돼지의 췌도를 이용한 췌도세포이식이 시도되었다. 이러한 용감한 실험에도 불구하고 이종장기 또는 이종세포는 사람에서 생존하지 못하고 불과 수 시간 혹은 수일 내에 그 기능을 상실하였다. 물론 비인간영장류의 장기를 이용하는 것이 면역학적으로 보다 유리할 수 있으나 비인간영장류 동물 사용에 따른 고비용, 윤리적인 문제와 함께 계통학적으로 가까운 종의 장기이식이 인수공통전염병의 위험도를 높일 수 있다는 점에서 이종이식 연구에서 배제되었다. 대신 최근 수십 년 내에는 성체의 크기, 생리학적 유사성, 유전형질변형 성공 경험, 청정상태 사육, 번식의 용이성 등의 장점을 지닌 돼지가 이종이식 연구에 주로 이용되었다[6]. 하지만 동종이식의 성공적인 발전에 비하여 돼지 장기를 이용한 이종이식은 이식 후 장기의 생존이 불과 수 시간으로 그 성과가 미미하였는데[7] 사람의 항체가 돼지 세포에 결합하고 이에 따른 보체 활성으로 돼지 조직이 괴사하는 초급성거부반응이 이식된 이종장기 조기소실의 주 원인이었다(Fig. 1A) [8, 9].

Figure 1. Schematic illustration of hyperacute rejection (A) and delayed xenograft rejection (B).

이종이식은 1992년에 Good 등의 연구에서 사람이 자연적으로 가지고 있는 항체 중 돼지 세포에 결합하는 항체가 있는데 이 대부분이 Galα1,3Galα1,4GlcNAc-R (αGal) 당항원에 반응하는 항체임을 보고하고[10] 초급성거부반응의 원인으로 주목하면서[11] 큰 진전을 이루었다. αGal 에피토프는 당단백, 당지질 형태로 생산되며 주로 α-1,3-galactosyltransferase에 의하여 생산된다[12]. αGal 에피토프는 세균, 진균 및 포유류에 이르기까지 다양한 종에서 발현되나 사람을 포함한 일부 영장류는 α-1,3-galactosyltransferase (α1,3GT) 유전자가 없어 αGal을 발현하지 않는다. 사람은 태어날 때 αGal에 대한 항체가 없으나 추후 환경에서 αGal 항원을 접하면서 자연적으로 항-αGal 항체를 생산하게 되고 그 양이 사람 면역글로불린의 1%에 이른다[13]. 이러한 사실은 이종장기는 사람처럼 α1,3GT가 없는 비인간영장류에 이식을 하여야 임상과 유사한 면역학적, 생물학적 정보를 얻을 수 있음을 시사하였고, 이에 비인간영장류 모델에서의 이종이식 연구가 본격화하면서 초급성거부반응의 원인으로 주목된 항-αGal 항체 효과를 억제하기 위한 전략이 수립되었다[14]. 생물학적으로 항체가 세포에 결합하면 보체계가 활성화되는데 이때 세포 표면의 보체 활성 조절 단백이 보체 활성을 억제하여 세포 손상을 최소화한다. 하지만 이종이식의 경우 돼지의 보체 활성 조절 단백들이 사람의 보체 활성을 억제하여 그 역할을 수행할 수 있을까 하는 의구심이 있었다. 당시 유전자 제거보다는 유전자 발현이 기술적으로 가능하였기에 사람의 보체 활성 조절 단백 CD55 또는 CD46 유전자를 삽입한 돼지를 개발하였다[7]. 이 돼지 장기를 비인간영장류에 이식하였을 때 수 시간내 파괴되던 조직이 수일 생존하는 정도로 거부반응이 지연되었다[15]. 추후 유전자 조작 기술의 발전으로 2003년에 동종접합 α1,3GT 제거(GTKO) 돼지가 개발되었고[16] GTKO 돼지 심장을 비인간영장류에 이식하였을 때 이식편의 생존기간이 약 2–3개월까지 획기적으로 연장되었다[17]. 이는 공여돼지의 GTKO 형질전환으로 초급성거부반응을 극복한 혁신적인 성과였다.

비인간영장류에 이식된 GTKO 돼지 장기는 초급성거부반응은 없으나 여러 면역억제요법에도 불구하고 수개월 안에 기능을 상실하였다. 이때 주 소견은 혈전성미세혈관병변으로, 동종이식의 거부반응 시 흔히 보이는 T세포나 B세포 침윤은 보이지 않고 혈소판과 피브린 침착, 대식세포 침윤 등 염증성 소견을 동반하였다[18]. 아마도 이식수혜원숭이가 가지고 있는 비αGal 돼지 항원에 대한 항체 결합, 자연살세포 활성화, 대식세포 침윤 등이 이식편 내피세포를 자극하여 친응고성향으로 활성화하고 혈관 내 응고를 유발하는 지연성거부반응이 일어나는 것이라 생각하였다(Fig. 1B) [19]. 연구자들은 공여돼지의 추가적인 형질전환으로 이를 극복하고자 하였는데 그 방법으로 우선 αGal처럼 사람조직에는 없으나 돼지는 보유하는 당항원들을 추가적으로 제거하고 사람의 보체활성조절단백, 응고조절단백, 염증조절단백 등의 유전자를 발현하도록 하는 것이다. CRISPER-Cas9 유전자 조작 기법의 개발로[20] 형질전환이 용이하여 지면서 많은 종류의 다중유전자조작 형질전환돼지가 개발되었다(Table 1). 미국에서 2022년 국가기관의 허가 하에 사람에게 처음 수행된 돼지 심장이식도 10개의 유전자가 전환된 돼지의 심장을 이식하였다[3]. 하지만 안타깝게도 아직 GTKO 형질전환돼지 장기이식 성적을 뛰어넘는 현저한 이식 성적 개선을 보이는 형질전환 조합은 확인되지 않았다[21].

Table 1 Selected genetically modified pigs available for xenotransplantation research

Deletion of αGal or non-αGal antigens

*α1,3-galactosyltransferase gene-knockout (GTKO, deletion of Galα1,3Galα1,4GlcNAc-R)

Isoglobotrihexosylceramide synthase gene-knockout (A3GalT2KO, deletion of isogloboside 3)

*Cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase gene-knockout (CMAHKO, deletion of N-glycolylneuraminic acid)

*β1,4 N-acetylgalactosaminyltransferase gene-knockout (β4GalNT2KO, deletion of Sd(a) antigen)

Complement regulation by expression of human complement-regulatory protein

*Human CD46 gene-knockin (hCD46KI, membrane cofactor protein)

*Human CD55 gene-knockin (hCD55KI, decay-accelerating factor)

Human CD59 gene-knockin (hCD59KI, protectin or membrane inhibitor of reactive lysis)

Anticoagulation

Human von Willebrand factor gene-knockin (hvWFKI, von Willebrand factor)

Porcine von Willebrand factor-deficient mutant

Human tissue factor pathway inhibitor gene-knockin (hTFPIKI, tissue factor pathway inhibitor)

*Human thrombomodulin gene-knockin (hTHBDKI, thrombomodulin)

*Human endothelial protein C receptor gene-knockin (hPROCRKI, endothelial protein C receptor)

Human CD39 gene-knockin (hCD39KI, ectonucleoside triphosphate diphosphohydrolase-1)

Anti-inflammation

Human tumor necrosis factor-alpha-induced protein 3 gene-knockin (hTNFAIP3KI, A20)

*Human heme oxygenase-1 gene-knockin (hHMOX1KI, heme oxygenase 1)

Suppression of cellular responses by gene expression or downregulation

*Human CD47 gene-knockin (hCD47KI, species-specific interaction with SIRP-α inhibits phagocytosis)

Porcine asialoglycoprotein receptor 1 gene-knockout (ASGR1KO, decreases platelet phagocytosis)

Human dominant-negative mutant MHC class II transactivator gene-knockin (CIITA-DN, suppresses swine leukocyte antigen class II)

Swine leukocyte antigen-I heavy α-chain or light β-chain gene-knockout (MHC-IKO, deletion of swine leukocyte antigen class I)

Enhancement of biocompatibility

*Porcine growth hormone receptor gene-knockout (GHRKO, reduces overgrowth of the xenografts)

Modified from an original list compiled by Cooper DK, et al. [6].

*Genetic modifications in the first in clinical trials of xenotransplantation [41].

국내에서 이종이식연구는 2004년 바이오이종장기개발사업단이 만들어지며 시작되었다. 당시 국내에서 비인간영장류 실험시설이 전무하고 형질전환돼지도 개발되지 않아 주로 사람혈액과 돼지의 혈관내피세포 간의 상호반응에 대한 실험실적 연구가 이루어졌다. 돼지 내피세포가 사람 혈액과 만나 활성화되면 돼지 von Willebrand factor (pvWF)를 방출하는데 이 pvWF가 사람의 혈소판 응집을 촉진시킨다[22]. 공여돼지를 장기 구득 전날 vasopressin으로 처리하고 장기를 구득하면 돼지 내피세포 내 pvWF 양이 줄고 돼지 내피세포와 접한 사람의 혈소판 활성화 정도도 감소시킬 수 있음을 이종폐이식 체외순환모델을 통하여 증명하였다[23, 24].

이후 국내에 비인간영장류 실험시설이 개소하였고 2009년에는 GTKO 돼지 개발이 이루어졌으나 아직 실험용 동물 공급이 원활하지 않아 연구자들은 주로 야생형 돼지를 실험에 사용할 수밖에 없었다. 따라서 비교적 초급성거부반응이 적게 일어나는 췌도이식, 각막이식에 집중하여 연구가 진행되었다.

당시 연구로 이종췌도이식 시 이식하자마자 강한 보체활성이 일어나는데 돼지세포에 항체결합으로 시작하는 전형적 경로보다는 돼지 췌도세포 자체에 의하여 활성이 유도되는 대체경로를 통하여 이루어지고, 이러한 보체활성의 제어가 췌도이식 성적 향상에 유효함을 증명하였다[25]. 또한 사람 전혈이 돼지 내피세포를 접촉하면 사람 혈구들이 tumor necrosis factor alpha (TNFα)를 분비하고 이것이 돼지 내피세포의 tissue factor (TF) 발현을 증강시키며, 다시 돼지 TF가 사람 혈액 내 응고계를 활성화시키는 상호 활성기전을 제시하였다[26]. 비인간영장류 이종췌도이식 실험에서 이식편 기능소실과 함께 이식 후 항-αGal, 항-비αGal 항체 증가가 유도되었고 이는 기존 임상이식에서 사용하는 면역억제제로 제어되지 않았으나 CD40-CD154 costimulation pathway를 제어하는 항-CD154 항체 투여로 조절할 수 있음을 증명하였다[27]. 이후 국내 연구진은 비인간영장류 이종췌도이식에서 유도요법으로 보체억제제, TNFα 길항제, 스테로이드, 항-thymoglobulin, 항-CD154, sirolimus를 사용하고, 유지요법으로 항-CD154, sirolimus를 사용하여 3년 이상 이종췌도 기능을 유지하는데 성공하였다(Fig. 2) [28]. 이러한 성공적 결과가 면역관용 도달 때문이라는 기대도 있었으나[29] 이식췌도 기능 유지는 항-CD154 투여에 달려있었다[30]. 흥미롭게도 항-CD154 대신 같은 CD40-CD154 costimulation pathway 차단제인 항-CD40를 사용하면 이종항체 증가는 억제하였지만 이종췌도 기능은 급속도로 소실되었다[31]. 이는 항-CD154의 이식거부반응 억제기전에 CD40-CD154 작용 외 다른 경로가 포함되어 있음을 시사하였다[32].

Figure 2. Strategies for porcine islet xenotransplantation.

비인간영장류에서 시행한 이종각막이식도 초급성거부반응은 일어나지 않지만 한 달 내에 각막이식편이 파괴되었고, 항-αGal, 항-비αGal 항체 증가가 동반하였다. 하지만 췌도이식에서와 같이 항-CD154를 사용하면 거의 모든 이식 예에서 6개월 이상 기능을 유지하는 우수한 이식성적을 보였다[33]. 당시 항-CD154 약제의 임상시험 중 혈전유발이라는 중대이상반응이 보고되어 임상적용이 무산되었는데 항-CD154 없이 항-CD40나 리툭시맙을 이용하여 이종각막이식을 성공적으로 수행하였다[34, 35].

형질전환돼지 개발의 지연으로 고형장기 이종이식은 상대적으로 연구가 더디었다[36, 37]. 비인간영장류 cynomolgus에서 GTKO 돼지의 고형장기이식이 수행되었는데 심장의 경우 약 1개월, 신장의 경우 약 3개월까지 생존하였다. 현재 국내에서도 형질전환돼지가 활발하게 개발되고 있고 국가적인 이종이식 연구 지원이 늘고 있어 더 좋은 성적이 나올 것으로 기대된다. 현재까지 보고된 장기별 비인간영장류에서의 이종이식 성적을 정리하였다(Table 2).

Table 2 The best survival times of xenotransplants in nonhuman primates

Xenograft	Genetic modification of donor pig	Survival time (days)	References
Islet cells	Wild type	950	Shin JS, et al. Xenotransplantation (2016) [30]
Cornea	Wild type	511	Kim J, et al. Am J Transplant (2018) [34]
Neurons	CTLA4-IgKI	549	Ekser B, et al. Lancet (2012) [2]
Lung	GTKO/hCD55KI/hCD47KI	14	Watanabe H, et al. Xenotransplantation (2020) [42]
Liver	GTKO	29	Shah JA, et al. Am J Transplant (2017) [43]
Kidney	GTKO/hCD55KI	499	Kim SC, et al. Am J Transplant (2019) [44]
Heart (orthotopic)	GTKO/THBDKI/hCD46KI	195	Längin M, et al. Nature (2018) [45]

사람에게 수행된 첫번째 이종심장이식이 두 달 만에 심부전에 이른 원인은 아직 밝혀지지 않았다. 첫째 이식 수 주 후부터 검출된 돼지 cytomegalovirus (정확히는 돼지 roseolovirus) 유전자를 근거로 바이러스 재활성화에 따른 조직 손상 가능성이 대두되었다[38, 39]. 돼지 바이러스 재활성이 문제라면 공여 동물의 관리로 바이러스에 감염되지 않은 축군을 유지하여 문제를 해결할 수 있겠다. 둘째로 최근 시행한 형질전환돼지 신장의 뇌사자 이식 연구에서 이식 하루 후부터 미세혈관 내 응고 및 혈전성 병변이 나타나는 것으로 보아 서서히 진행되는 지연성거부반응의 가능성도 배제할 수 없다. 아직 지연성거부반응, 즉 미세혈관혈전 발생의 기전이 명확하지 않다. 생물학적 유효 매개자와 수용체 간 반응에서 돼지와 사람 단백 간의 부조화나 호중구, 자연살세포, 대식세포의 돼지세포 인식 및 활성, 침윤 등이 기여할 것으로 생각된다. 일련의 증폭되는 생물학적 반응에서 초기 단계의 매개자를 찾아내어 차단하는 것이 필요하겠다. 특히 최근 사람 항체 결합이 GTKO 돼지세포보다 다중형질전환돼지 세포에서 더 높다는 보고가 있는데[40], 사람 유전자를 돼지세포에서 발현시키는 과정에 생각지 못한 새로운 에피토프 발현의 가능성이 있어 어떤 유전자 조합 발현이 유리할지 추후 면밀한 규명이 필요하다. 셋째로 이번 심장이식 환자에서 항-CD154가 아닌 항-CD40 약제를 사용하였는데 현재까지 비인간영장류 실험 결과를 보면 이종이식편 유지에 항-CD40가 항-CD154 만큼 효과적이지 못했기에 거부반응 억제에 미흡하였을 수 있다. 과거 부작용 발생으로 개발이 중단되었던 항-CD154 약제는 혈소판활성을 일으킨다고 보고된 Fc 부분을 변형하여 다시 연구개발이 진행되었고 새 형태의 약제들은 현재 자가면역질환 등에서 혈전 부작용 없이 임상2상을 통과하여 순항하고 있다. 새 형태의 항-CD154 약제가 이종이식에서의 효과를 유지한다면 이종이식의 임상 적용의 기대를 높일 수 있다.

이종이식은 유전자조작기술과 새로운 면역조절용 치료항체 개발의 발전에 힘입어 이제 임상 진입을 바라보고 있다. 아직 해결해야 할 어려움이 많이 남아있지만 그동안의 발전사를 되돌려보면 충분히 극복할 수 있으리라 여겨진다. 사람 몸에서 거부반응을 겪지 않는 형질전환돼지가 개발되면 이상적이겠지만 현실적으로 이는 불가능해 보이고, 적어도 위해가 적은 약제 사용으로 거부반응을 조절할 수 있다면 충분히 임상적용이 가능할 것이다. 이종이식의 임상진입은 심장, 신장 등의 고형장기뿐 아니라 피부, 신경세포, 췌도세포, 적혈구 등 다른 조직까지 그 대상이 널리 확대될 수 있어 고령화 사회 도래와 함께 공여장기, 공여조직 부족의 어려움을 겪는 의학계에 새로운 돌파구를 제공할 것이다.

저자는 본 연구와 관련하여 어떠한 이해관계도 없음을 밝힙니다.

본 연구는 대한민국 정부(산업통상자원부 및 방위사업청) 재원으로 민군협력진흥원에서 수행하는 민군기술협력사업의 연구비 지원으로 수행되었습니다(과제번호 22-CM-EC-18).