핵심내용
염증부위 찾아가는 표적형 엑소좀 제안
염증성 대식세포 표적, 리프로그래밍으로 근본적 염증 완화 전략 제안
□ 류마티스 관절염의 염증성 관절 부위를 찾아가 염증성 대식세포를 항염증성으로 바꿔주는 표적형 엑소좀이 소개됐다.
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 박재형 교수(성균관대학교) 연구팀이 체내를 순환하면서 염증이 있는 관절부위에 선택적으로 축적된 후, 염증성 대식세포를 항염증 타입으로 재편하는 표적형 줄기세포 엑소좀을 제안했다고 밝혔다.
※ 염증성 대식세포: 염증을 유발하는 대식세포로 M1 대식세포라고도 불리며 류마티스 관절염의 악화에 주요한 원인을 제공.
□ 세포 밖으로 분비되는 작은 주머니, 엑소좀에는 DNA와 단백질은 물론 마이크로 RNA 등 여러 생체물질이 다량 함유되어 우리 몸의 다양한 생리현상에 관여한다.
○ 특히 줄기세포 엑소좀은 염증성 대식세포를 항염증성으로 바꿔줄 수 있다고 알려졌지만 체내에서 빨리 분해되어 사라지는 데다 염증부위가 아닌 간에 주로 축적되어 효과가 제한적이었다.
□ 이에 연구팀은 줄기세포 엑소좀이 염증이 있는 관절 부위를 표적할 수 있도록 표면개질을 시도했다.
○ 염증부위에 존재하는 염증성 대식세포 표면에 많이 생성되는 수용체(SR-A 수용체)와 결합할 수 있는 덱스트란 설페이트가 줄기세포 엑소좀 표면에 도입될 수 있도록 한 것이다.
※ 덱스트란 설페이트: 설페이트기를 가지고 있는 덱스트란 기반의 다당류.
○ 나아가 표적성 부여를 위한 당대사공학 및 생물직교성 무동 클릭화학 기반의 세포 표면개질이 엑소좀 내부의 생체물질에는 영향을 미치지 않았다는 설명이다.
※ 당대사공학 : 화학 반응기를 세포 표면의 당 단백질에 도입할 수 있는 기술.
※ 생물직교성 무동 클릭화학 : 아지드(azide)기와 알킨(alkyne)기가 구리 촉매 없이 특이적으로 반응하는 현상
□ 실제 정맥주사를 통해 생쥐에 이렇게 만들어진 줄기세포 엑소좀을 투여하자 염증이 있는 부위에 엑소좀이 상대적으로 집중되어 축적되는 것을 광학영상장치를 통해 확인할 수 있었다.
□ 특히 염증부위에 표면개질 엑소좀이 축적된 생쥐의 경우 대조군에 비해 관절염 수치가 현저하게 낮아진 것으로 나타났다. 기존 엑소좀 대비 10분의 1 용량에도 비슷한 정도의 관절염 수치를 보였다.
○ 한편 연구팀은 이같은 엑소좀의 염증완화가 특정 마이크로 RNA (let-7b-5p 및 miR-24-3p) 때문임을 알아냈다.
□ 당대사공학 및 클릭화학 기술로 엑소좀 고유기능에는 영향을 주지 않으면서 관절염 부위에 대한 표적 지향성을 부여한 이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구) 등의 지원으로 수행되었고 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 6월 2일 게재되었다.
상세내용
|
논문명
|
Metabolically engineered stem cell-derived exosomes to regulate macrophage heterogeneity in rheumatoid arthritis
|
|
저널명
|
SCIENCE ADVANCES
|
|
키워드
|
엑소좀(Exosome), 당대사공학(Metabolic glycoengineering), 생물직교성 무동 클릭화학(Bioorthogonal copper-free click chemistry), 대식세포 (Macrophage), 류마티스 관절염(Rheumatoid arthritis)
|
|
저 자
|
박재형 교수 (교신저자/성균관대학교), 유동길 박사 (공동 제1저자/성균관대학교),
임경택 석사 (공동 제1저자/성균관대학교), 권승리 박사 (공동저자/성균관대학교),
엄우람 박사 (공동저자/성균관대학교), 오병훈 석사 (공동저자/성균관대학교), 송석호 박사과정 (공동저자/성균관대학교), 이정미 연구원 (공동저자/성균관대학교), 조동규 교수 (공동저자/성균관대학교), 조용우 교수 (공동저자/한양대학교)
|
1. 연구의 필요성
○ 류마티스 관절염은 관절부위에 통증, 부종, 변형을 초래하는 전형적 염증성 자가면역질환으로, 전 세계 인구 약 2.5%가 고통을 겪는 난치성 질환이다.
○ 류마티스 관절염은 염증성 대식세포가 방출하는 염증성 사이토카인에 의해 악화된다. 따라서 염증성 사이토카인을 대표하는 종양괴사인자-알파(tumor necrosis factor(TNF)-α)를 저해하는 생물학제제가 치료제로 사용된다. 하지만 근본적인 치료를 위해서는 관절부위 염증성 대식세포의 자체 특성을 바꾸는 전략이 필요하다.
○ 최근 줄기세포로 류마티스 관절염을 완화하는 치료법이 부각되고 있으나, 동종이식(allogeneic transplantation)된 줄기세포의 낮은 생존률과 면역원성에 의해 치료효율이 제한적인 것으로 알려져 있다.
※ 면역원성: 면역반응을 일으킬 수 있는 항원으로 작용하는 성질
○ 엑소좀(exosome)은 세포에서 분비되는 50-150 나노미터 크기의 세포외소포체로, miRNA, mRNA, DNA, 단백질 등을 다량 함유하여 우리 몸에서 일어나는 다양한 생리현상에 관여한다.
○ 최근 줄기세포에서 유래된 엑소좀이 줄기세포의 기능을 대변한다는 사실이 보고되면서, 줄기세포 엑소좀을 이용한 난치성 질환 치료연구가 활발하다. 특히 줄기세포 엑소좀은 염증성 대식세포를 항염증성으로 리프로그래밍 할 수 있는 능력 때문에 류마티스 관절염을 포함한 다양한 염증성 자가면역질환과 관련하여 주목받고 있다.
○ 그러나 줄기세포 엑소좀은 반감기가 짧고 전신 투여 시 주로 간에 축적되기 때문에 치료효능이 제한적으로 나타나는 문제가 있다. 따라서 특정 조직 및 세포에 대한 표적성이 부여된 엑소좀의 개발이 중요하다.
○ 엑소좀에 표적성을 부여하기 위해 화학적 개질 또는 물리적 삽입법을 통해 표적물질을 도입하는 전략이 소개된 바 있으나, 복잡한 정제과정과 더불어 엑소좀 내부의 유효성분 소실을 수반하는 문제가 있다. 이에 엑소좀 고유기능에 손상을 주지 않으며 표적성을 부여할 수 있는 기술에 근거한 치료제의 개발이 필요한 실정이다.
2. 연구내용
○ 류마티스 관절염의 염증부위에 존재하는 염증성 대식세포를 표적하는 줄기세포 유래 엑소좀을 다음과 같이 제조하였다.
- 1단계: 당대사공학으로 줄기세포 표면에 아자이드기(azide group, -N3) 도입
- 2단계: 클릭화학으로 아자이드기에 덱스트란 설페이트(dextran sulfate) 결합
- 3단계: 표면개질된 줄기세포 배지 분리/정제로 개질된 엑소좀 획득
○ 표면개질된 엑소좀 획득 이후, 추가적인 정제과정을 필요로 하지 않기 떄문에 엑소좀이 가지는 내부 물질의 손실 및 안정성에 영향을 주지 않는다.
○ 염증성 대식세포에 과발현된 SR-A 수용체를 표적하기 위해, 덱스트란 설페이트로 엑소좀의 표면을 개질하였다. 개질된 엑소좀은 기존 엑소좀과 유사한 크기 및 모양, 생산 수율, 표면 단백질량 등을 가진다. 특히 염증성 대식세포에서 항염증성 표현형으로 분극화에 주요한 역할을 하는 miRNA의 양이 엑소좀 개질 전후 차이가 없음을 small RNA 시퀀싱을 통해 입증하였다.
※ 덱스트란 설페이트: 설페이트기를 가지고 있는 덱스트란 기반의 다당류.
※ 대식세포 분극화: 대식세포가 주변 미세환경으로부터 자극받아 특정 표현형으로 전환되는 과정.
○ 덱스트란 설페이트로 개질된 엑소좀이 염증성 대식세포에 특이적으로 흡수되는 거동을 세포실험으로 입증하였으며, 동물실험을 통해 류마티스 관절염 부위의 염증성 부위에 표적형 엑소좀이 특이적으로 축적됨을 확인하였다.
○ 또한 표적형 엑소좀 표면의 덱스트란이 염증성 대식세포에 과발현된 SR-A 수용체와 특이적인 상호작용에 의해 염증성 부위에 축적되는 원리를 입증하였다.
○ 염증성 대식세포 표적형 엑소좀은 대식세포에 흡수된 후 대식세포를 염증성에서 항염증성으로 분극화시켰다. 기존 엑소좀 대비 개질된 엑소좀에 의한 분극화 효율이 현저히 향상된 것을 확인하였다.
○ 이와 더불어 개질된 엑소좀은 대식세포를 항염증상태로 유지시키는 기능이 탁월한 것으로 확인되었다. 이는 덱스트란 설페이트로 개질된 엑소좀이 류마티스 관절염의 예방 및 치료에 우수한 효과가 있을 수 있음을 의미한다.
○ 또한 염증성 대식세포에서 항염증 대식세포로의 분극화에 엑소좀이 가지는 miRNA 중에서 let-7b-5p 및 miR-24-3p가 중요함을 입증하였다.
○ 덱스트란 설페이트로 개질된 엑소좀은 다음과 같은 단계를 통해 류마티스 관절염의 염증성 미세환경을 재편한다.
- 1단계: 염증성 부위에 축적, 염증성 대식세포를 항염증성으로 분극화
- 2단계: 항염증성 대식세포로 상태 유지
- 3단계: 염증성 사이토카인 분비 감소 및 항염증성 사이토카인 분비 증가
- 4단계: 활성화된 섬유아세포 및 활성화된 T세포의 활성도 감소
- 5단계: 염증성 관절의 미세환경이 정상 관절 수준으로 재편
○ 이러한 원리에 기반해서 개질된 엑소좀이 류마티스 관절염에 대해 우수한 효과를 갖는 것을 동물모델을 통해 보여주었다. 특히 기존 엑소좀의 용량을 10배 높여야 개질된 엑소좀과 유사한 효능이 나타나는 것을 확인하였다.
3. 기대효과
○ 당대사공학 및 클릭화학을 통해서 엑소좀 표면을 개질하는 플랫폼 기술이 류마티스 관절염에서 다양한 난치성 질환으로 확대 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 엑소좀 기반 치료제 개발에서 원가절감의 효과까지 기대할 수 있을 것이다.
☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.
3 20210607 월 조간 염증부위 찾아가는 표적형 엑소좀 제안.hwp