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미생물이야기 동물 세포와 동물 세포의 배양 (tissue or cell culture)에 대해 알아보자.
2013-08-08 17:28:16
이엠생명과학연구원

동물 세포와 동물 세포의 배양 (tissue or cell culture)


 1) 동물세포의 특성

     동물 개체 내에서 동물세포들은 서로 모여 조직 (tissue)를 이루고 있으며, 이들 조직이나 세포들은 다시 모여서 기관 (organ)이라는 보다 더 큰 조직을 이루고 있다.  이들 기관이나 조직, 세포들은 다시 모여서 기관계 (organ system)을 이루고 있으며, 최종적으로 동물 개체를 형성하는 것이다.  예를 들어 순환계 (circulation system)는 심장, 혈관, 혈액세포 및 기타 조직으로 구성되어 있으며, 심장이라는 기관은 근육조직, 상피조직등 여러 가지의 조직으로 구성되어 있다.  이와 같이 많은 종류의 세포들이 잘 조직화되어 서로 사이좋게 존재하려면 동물 세포들은 그냥 마구 자라는 것 이 아니라 보다 복잡한 조절방법에 의하여 그 조직이 유지되고 있어야 한다. 즉 대부분의 동물세포들은 영양분이 아무리 잘 공급된다하더라도 증식하지 않으며, 필요에 따라서만 증식하게된다 (그림 1). 이러한 성질은 대장균과 같이 하나의 세포로 구성되어 있는 세균들은 배지의 상태와 배양조건만 제대로 갖춰지면 얼마든지 잘 자라는 것돠는 다른 성질이며, 만일 동물의 세포가 이들과 같이 마구 증식한다면 이는 정상적이지 못한 것이되며, 이러한 성질은 오히려 종양세포의 특징이기도하다.  이와 같은 성질은 그대로 동물세포의 배양에도 적용되며, 결과적으로 시험관에서 배양이 어려운 세포들도 많이 있다.  

 

 

Cell Proliferation

 

 

그림 1) 동물세포는 외부 자극에 반응하여 증식한다 (a,b). 반면에 종양세포는 외부 자극없이도 스스로 마구 증식하는 세포인 것이다 (c).

 

    동물세포가 증식하기 위하여 증식을 시작하게하는 신호가 있어야 한다.  이러한 신호의 시작은 일반적으로 성장인자 (growth factor)라고 부르는 호르몬 같은 물질에 의하여 나타난다.  성장인자에 의한 신호는 세포의 성장인자 수용체에 결합되어 세포 안으로 전달되기 시작하며, 궁극적으로는 세포의 핵 안에까지 전달된다.  핵 안으로 전달된 신호는 염색체에 있는 특정한 유전자의 전사로 나타나게되며, 그 결과 성장자극에 대응하는 단백질들이 만들어지고 세포는 증식하게된다. 이와 같은 과정을 세포의 신호전달 과정 (signal transduction)이라고 부른다. 동물세포의 신호전달과정은 성장인자에 의하여 시작되어, 세포 내의 여러 가지의 단백질이나 물질들의 상호작용에 의하여 나타나며, 결과적으로 이들 신호전달 물질들이 서로 상호작용하여 세포의 증식이라는 변화로 나타나게 된다.

     동물세포는 대부분의 경우 성장하지 않고 조용히 있는 경우가 많다.  이와같이 세포가 증식하지 않고 조용히 존재하는 상태를 세포증식의 휴지기 (resting phase) 또는 G0 단계 (G0 phase)라고 부른다.  이러한 상태의 세포에 성장이 유도되면, 세포는 G0 phase에서 G1 phase로 전환되어 성장을 시작한다. G1 phase로 들어간 세포는 DNA 복제 (S period)를 하며, G2 phase를 거쳐 유사분열로 들어가게 되며 결국 하나의 세포가 두 개의 세포로 분열하는 것이다. 이와같은 동물세포의 증식과정을 동물세포의 성장회로 (growth cycle, 그림 2)라고 부른다.  동물세포의 성장회로에는 한번 시작하면 계속하여 돌아가는 그런 과정이 아니고 곳곳에 증식을 제어하는 곳이 있어서 상황에 따라 동물세포의 증식이 중단되고 다시 G0 상태로 돌아가기도 한다.  그결과 세포의 증식은 필요에 따라 적절히 조절되고 있어서 세포가 필요 이상으로 증식하지 않는다.  그러므로 이러한 신호전달과정에 문제가 생기게 되면 세포는 원래와는 성질이 바뀌게되어 (형질전환, transformation), 조절되지 않고 증식하게 될 수도 있다.  이와 같이 변형된 세포를 형질전환된 세포 (transformed cells)라고 부르며, 이러한 변화는 바이러스의 감염에 의하여 유도될 수도 있다.

 

 

 

 

 

 

그림 2) 동물세포의 세포주기.  그림에 보여지는 것들은 세포 주기의 순환을 조절하는 단백질들을 묘사한 것이다.


2) 세포배양의 방법

     세포 배양을 위해서는 먼저 동물로부터 특정한 조직을 떼어내고, 이 조직을 잘게 부순 다음, 단백질 분해효소를 이용하여 세포와 세포를 연결해주는 결합단백질을 파괴하여 서로 서로 잘 분리된 세포 현탁액을 준비한다.  그 후 이 세포 현탁액을 적절한 배지에 넣어 주어 세포를 배양하면 된다. 세포 배양에 사용되는 배지에는 KCl, NaCl, Na3PO4, CaCl2, MgSO4, 등과 같은 염류 (salts)와  glucose, vitamins, amino acids, sodium pyruvate등과 같은 영양분, 그리고 pH7의 중성용액상태를 유지해주는 완충용액을 넣어주어야 한다.  세포 배양 배지에는 이들 이외에도 세균의 증식을 막기 위하여 항생물질을 넣어주어야 하며, 세포의 성장을 자극하기 위하여 성장인자 (growth factors)가 함유된 소혈청 (fetal bovine serum)을 넣어주어야 한다.   
 

 

 

3) 세포 배양으로 얻어지는 세포

     조직에서 세포를 떼어내어 배양하게 되면, 조직 중에 존재하는 모든 세포들이 균일하게 잘 자라는 것이 아니다.  이 경우 많은 세포 종류 중에서 시험관 배양에서 비교적 잘 자라는 세포들이 쉽게 얻어지기 때문에, 원하는 세포를 얻기 위해서는 특별한 조처가 필요하며, 원하는 세포가 얻어졌는지를 언제나 확인하여야 한다.   섬유아세포 (fibroblast)는 거의 모든 조직에 존재하며, 세포배양 시 가장 손쉽게 얻어지는 세포이다.  이 세포는 배양접시에 부착하여 증식하며, 배양접시에서 길다란 방추체 (spindle) 모양의 세포를 형성한다.  이들 세포들은 서로 평행되게 (parallel array) 성장하며, 배양접시에 세포의 단층 (monolayer)을 형성하고 성장을 멈춘다. 상피세포 (epithelial cell), epitheloid cell 등을 포함하는 기타 세포들도 배양접시에 부착하여 증식하며, 단층을 형성하면 증식을 멈춘다. 임프구형세포 (lymphoid cells)는 주로 혈액세포들로서 배양 시 구형으로 자라는 세포들이다. 이들 세포들은 배양접시에 부착하지 않고 배양액에 현탁상태로 성장한다  (suspension culture). 

 

 

 

 

 

4) 일차배양 (primary culture), 이차배양 (secondary culture) 그리고 세포선 (cell line)

     일차배양은 동물로부터 기관 (organ)이나 조직 (tissue)을 떼어낸 다음, 세포를 분리하여 배양접시에 바로 배양한 것을 말한다.  이들 세포들은 배양접시에서 계속하여 배양하게 되면 스스로 죽어나가게 되어 무한정 계속 배양할 수 있는 세포는 아니기 때문에 계속하여 배양하려면 주기적으로 다시 세포를 준비하여야 한다.  또한 임프구형 세포를 제외한 세포들은 배양접시에 세포들이 부착하여 성장을 하게되는데, 이들  세포들은 계속하여 성장하다 보면 새로 증식한 세포들도 계속하여 배양접시에 부착하여 증식하게되어 결국에는 배양접시 바닥에 세포들이 다닥다닥 붙어있는 세포의 단층 (monolayer)로 자라게 된다.  아러한 배양을 일차배양이라하며, 이때가 되면 세포들은 더 이상 부착할 곳이 없는 상태가 되어 증식을 멈추게된다.  이러한 세포들을 계속하여 증식하게 하려면 세포의 일부를 배양접시에서 떼어내어 새로운 배양접시에 넣고 배양하여야 한다.  이러한 배양을 이차 배양 (secondary culture)이라고 하는 데, 이 경우도 세포가 단층으로 가득 자라게 되면 다시 성장을 멈추게 되므로 계속 세포를 배양하기 위해서는 세포를 계속하여 옮겨줄 필요가 있다.  

     세포가 단층으로 자라고 멈추기 때문에 배양접시에서 세포를 떼어내어 새로운 배양접시에서 배양하는 방법으로 세포를 증식시킨다.  이와 같이 세포를 동물에서 떼어 내어 일차, 이차, 삼차 등등 계속하여 배양할 수 있다.  이러한 배양을 계대배양이라 하는 데, 대부분의 세포들은 이러한 계대배양을 계속할 경우 어느 정도 배양하다 보면 더 이상 증식되지 않고 세포들이 죽게된다.  즉, 대부분의 세포는 무한정 계대배양할 수 있는 것이 아니라 어느 정도 이상 계대배양이 되지않는다.  이러한 현상을 배양 중인 세포의 노화 (culture senescence)라고 부르는 데, 이는 살아있는 생명체의 생명이 유한한 것과 같은 것이다.  그러나, 세포를 배양하다보면 세포 중에 돌연변이가 나타나 일부 세포의 성질이 변하는 경우가 있다.  이러한 변화 중에는 세포를 보다 오랜 기간 계대배양할 수 있게 되는 경우있을 수 있는데, 이렇게 변화된 세포를 세포주 (cell strain)이라고 부른다.  또한 이들 세포주 중에는 더 많은 변화가 유도되어 무한정 계대배양할 수 있는 세포가 생기기도 하는 데, 이러한 세포를 세포선 (cell line)이라고 부른다.  이들 세포주나 세포선들은 상업적으로 판매되기도 하며, 시험관에서 계속하여 배양이 가능하므로, 바이러스의 배양에 있어서 숙주로 매우 중요한 세포들이 된다.

 

5) 세포의 분화 단계 (state of differentiation)

     우리 몸의 세포는 비록 거의 같은 유전적인 구성을 가지고 있기는 하지만, 각각의 세포종류는 매우 다양하다.  예를 들어 어떤 세포는 뇌세포이며, 어떤 세포는 위세포이고 또 어떤 것은 피부세포이기도하다.  비슷한 세포라 하더라도 세포는 세포의 성숙상태에 따라 서로 다른 분화단계를 나타낸다.  예를 들어, 세포들에는 조직의 세포가 될 수 있는 근본을 갖춘 근원세포 (stem cell)가 있는 가 하면, 분화 중인 세포도 있고, 더 이상 분화되지 않는 완전히 분화된 세포도 있다.  예를 들어 혈구의 전구세포들은 성숙하여 각종의 혈구가 되지만, 이 과정을 통하여 얻어진 B cell과 T cell은 서로 완전히 다른 세포이며, 이들은 또한 전구세포와도 다른 것이다.   일반적으로 근원세포에는 배아근원세포 (embryonic stem cell)와 골수의 혈구근원세포 (bone marrow stem cell) 등이 있다.  이들 세포는 분화되어 다른 세포로 전환될 세포들이기 때문에 그 증식 능력이 뛰어난 세포들이며 결과적으로 세포배양이 비교적 용이할 수 있다.  그러나 조직의 세포 중에는 완전히 분화되어 더 이상 변화하지 않는 세포들 (fully differentiated cell)도 존재하는 데, 이들은 시험관에서배양하기가 어려우며, 결과적으로 이들을 숙주로하는 바이러스의 배양도 어려워 질 수 있다.




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