Part I. Adipose tissue is an extramedullary reservoir for functional hematopoietic stem and progenitor cells
The stromal vascular fraction (SVF) in adipose tissue contains a pool of various stem and progenitor cells, but the existence of hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) in the SVF has not been seriously considered. We detected the presence of HSPCs in the SVF by phenotypically probing with Lin- Sca-1+ c-kit+ (LSK) and functionally confirming the pres-ence using colony-forming cell assay and assessing the long-term multilineage reconstitution ability after SVF transplantation. The LSK population in the SVF was 0.004% plus or minus 0.001%, and 5 x 105 freshly isolated SVF cells gave rise to 13 plus or minus 4 multilineage colonies. In addition, 0.15% plus or minus 0.03% of SVF cells was home to bone marrow (BM), especially near vascular and endosteal regions, 24 hours after blood transplantation. SVF transplantation was capable of generating a long-term (> 16 weeks), but variable extent (2.1%-32.1%) multilineage reconstitution in primary recipients, which was subsequently transferred to the secondary recipients by BM transplantation. All HSPCs within the SVF originated from the BM. Furthermore, the granulocyte-colony-stimulating factor (G-CSF) mobilization of HSPCs from BM markedly elevated the number of phenotypic and functional HSPCs in the SVF, which induced a high efficiency long-term reconstitution in multilineage hematopoiesis in vivo. Our results provide compelling evidence that adipose tissue is a novel extramedullary tissue possessing phenotypic and functional HSPCs.
Part II. The spatiotemporal chronicle of adipose tissue development
Adipose tissue is a structure highly specialized in energy storage. Adipocyte is the paren-chymal component of adipose tissue that is known as mesoderm in origin, however, adipocyte development remains as a field that is poorly understood. Here we investigated the de-velopment of adipose tissue by analyzing postnatal epididymal adipose tissue (EAT) in mouse. The EAT was found to be generated from non-adipose structure during the first 14 postnatal days. From postnatal day 1 (D1) to D4, the postnatal EAT is composed of multipotent progenitor cells that lack adipogenic differentiation capacity in vitro, and can be regarded as being in the `undetermined` state. However, the cells isolated from D4 EAT obtained adi-pogenic differentiation capacity by the physical interaction generated by cell-to-matrix and cell-to-cell contact both in vitro and in vivo. In addition, we show that impaired angiogenesis either caused by VEGF-A blockade or macrophage depletion in postnatal mice interfered with adipose tissue development. Therefore we conclude that appropriate interaction between the cellular and matrix components, and proper angiogenesis is mandatory for the develop-ment of adipose tissue.
지방조직은 연한 결합조직으로 에너지 저장, 체온조절, 신진대사, 물리적 충격으로부터 근접기관을 보호하는 등의 기능을 담당하고 있다. 지방조직은 지방세포와 비지방세포군으로 구성되어 있는데, 조직을 효소처리하여 분해시키고 원심분리를 하면 밀도차이에 의해 지방세포는 상층액의 표면에 떠 있게 되고 나머지 세포들은 바닥에 가라 앉게 된다. 이렇게 가라앉는 세포를 stromal vascular fraction (SVF)이라고 부르는데 이 안에는stromal cell, 면역세포, 혈관내피세포, pericyte, 섬유아세포, 그리고 아직 그 특성이 완전히 밝혀지지 않은 성체줄기세포 등이 포함되어 있다. 지방조직은 신체의 거의 모든 부분에 분포하고 있으며 그 양이 풍부하고, 성체에서 비교적 용이하게 분리할 수 있는 특성 때문에 조직 재생을 위한 세포 이식의 공급원으로서 매우 적합한 장점을 지니고 있다. 실제로 지방조직 내에 일종의 성체줄기세포인 중간엽 줄기세포가 포함되어 있으며, 그것이 지니고 있는 다양한 분화능력, 조직 재생능력 등에 대한 연구가 활발하게 진행되어 오고 있다.
줄기세포에는 크게 배아줄기세포와 성체줄기세포가 있다. 배아줄기세포는 정자와 난자가 만나 수정되어 생성된 배아로부터 추출해 낸 세포로서 이론적으로 인체를 구성하는 모든 세포, 조직으로 분화가 가능한 특징을 가지고 있다. 이에 대비하여 성체줄기세포는 태아 발생 단계 이후 성체조직에 존재하는 줄기세포이다. 대부분 특정 조직으로의 분화 운명이 정해져 있는 세포로서 성체조직에 손상이 생기는 경우 조직을 회복시키고 형태 및 기능을 유지시키는 역할을 한다. 예를 들어, 골수 내에 존재하는 혈액줄기세포는 대표적인 성체줄기세포로서 적혈구, 백혈구를 포함하는 모든 종류의 혈액세포를 생성하여 혈액계를 유지한다. 혈액줄기세포 외에도 신경줄기세포, 피부상피 줄기세포, 중간엽 줄기세포, 유방줄기세포 등이 알려져 있다. 성체줄기세포는 배아줄기세포가 갖고 있는 윤리적인 문제로부터 자유로울 뿐만 아니라, 인체로부터 비교적 쉽게 얻을 수 있기 때문에 치료목적의 활용도와 효율성 등의 측면에서 각광 받아오고 있다.
이에 본 연구에서는 세포 이식 및 세포 치료 목적에 이용가능한 성체 줄기세포의 동정을 목적으로 지방조직을 다각도에서 분석하였다. 먼저, SVF가 stromal cell로서 가지는 특성이 골수의 stromal cell과 비슷하다는 점에서 착안, 성체 생쥐의 지방조직 내에 혈액줄기세포의 존재여부를 분석하였고, 두 번째로는 지방조직의 발생과 성장에 초점을 맞추어 지방조직과 지방줄기세포의 특성을 혈관신생과 관련하여 분석하였다.
먼저, 성체의 지방조직으로부터 비지방 세포군을 분리하여 골수유래 혈액줄기세포와 동일한 특성을 갖는 혈액줄기세포가 존재하는지의 여부를 분석하였다. 혈액줄기세포가 특이적으로 발현하는 세포표면 인자를 추적할 수 있는 항체를 이용, 유세포분석법을 시행한 결과 그 양은 골수에 비해 적지만 혈액줄기세포 (Lineage- Sca-1+ c-Kit+, LSK cells)가 비지방 세포군에 포함되어 있는 것을 확인하였다. 또한 비지방세포군을 배양, 분화하였을 때, 골수 혈액줄기세포와 마찬가지로 혈액세포 군집을 형성 (CFU assay) 시키며, 정맥주사로 방사선 조사한 생쥐에 주입하였을 때, 24시간 안에 골수로 유입되는 기능 (bone marrow homing assay)을 보유하고 있음을 증명하였다. 이는 비지방 세포군에 형태적으로 구분가능할 뿐만 아니라, 기능적으로 활성이 있는 혈액줄기세포가 포함되어 있음을 보여주는 결과이다. 또한, 골수로 유입된 비지방 세포군이 장기적으로 혈액세포를 생산하는 능력이 있고, 골수에서 유래한 것들이며, 골수 혈액줄기세포를 말초 혈액으로 이동하도록 하는 약물을 처리했을 때, 비지방세포군 내의 혈액줄기세포도 함께 증가하는 것을 확인하였다. 다시 말해, 지방조직이 혈액을 순환하고 있는 골수유래 혈액줄기세포를 보유할 수 있는 능력이 있으며, 비지방세포군으로부터 이러한 혈액줄기세포를 얻을 수 있다는 것을 증명하였다.
다음으로 지방세포를 생성하고 증식시키는데 중요한 역할을 하는 지방줄기세포에 초점을 맞추어 지방조직의 발생과 성장을 연구하였다. 지방조직은 중배엽성 기관으로 알려져 있지만 발생 초기의 구조 및 발달 과정에 대한 연구는 거의 진행되어 있지 않았다. 본 연구에서는 수컷 생쥐의 부정소 지방조직을 출생 직후 2주간 관찰함으로써 지방조직이 반투명 막구조로부터 발달되며, 이러한 초기구조는 장차 지방세포로 분화가 일어나는 중간엽 줄기세포로 구성되어 있음을 규명하였다. 또한 원시적인 중간엽 줄기세포가 배양접시에서 지방세포로 분화가 가능한 지방줄기세포로서의 특성을 획득하기 위해서는 세포와 세포외 기질 또는 세포와 세포간의 3차원적 상호작용이 중요함을 확인하였다. 또한, 세포레벨에서의 지방세포의 분화와 함께 조직레벨에서의 지방조직의 발달 과정을 혈관신생과 관련하여 분석한 결과, VEGF-VEGFR2 신호전달과 대식세포에 의해 조절되는 혈관신생이 지방조직의 발생, 성장에 중요한 역할을 담당하고 있음을 증명하였다. 본 연구내용은 비지방 조직으로부터 지방조직으로의 발달 과정을 최초로 시각함으로써 지방조직 연구에 중요한 정보를 제공했을 뿐 아니라, 지방줄기세포의 세포운명 결정 및 분화에 작용하는 요인을 파악, 궁극적으로는 지방줄기세포의 이용방안에 관한 통찰을 제공한다는 점에서 의의가 있다. 또한 지방조직에서 지방줄기세포와 혈관신생의 기능에 복합적으로 접근함으로써 지방조직의 발생, 성장을 조절할 수 있는 가능성을 제시하였다.
