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출처 : biozine

뇌졸중, 뇌손상, 및 퇴행성뇌질환의 치료전략: 뇌신경세포사멸의 원리 및 조절

아주대학교 의과대학 약리학 교실
곽병주(bjgwag@madang.ajou.ac.kr)

20세기에 들어서며 생명과학 및 의학의 급속한 발전으로 인간의 평균 수명은 늘어나며, 장노년 인 구의 비중이 점차 늘어나 새로운 사회적 문제들이 부각되고 있다. 특히 노인성 신경계 질환들 [특히, 뇌졸중 (stroke), 알즈하이머병 (Alzheimer's disease, AD), 파킨슨씨병 (Parkinson's disease, PD)]은 치명적인 신경계의 기능장애로 나타나는데, 이를 막을 수 있는 효과적인 방법이 없는 현 실정에서는 삶의 질저하 및 막대한 의료비의 지출 등으로 주변 가족에게 상당한 정신적인 부담을 주고 있다. 이러 한 문제의 심각성을 인지하여 세계 각국은 범국민적인 관심속에 집중적인 해결방안을 모색하고 있다. 특히, 미국의 경우 1990년 1월 1 일부터 Decade of the Brain, 일본에서 Century of the Brain, 그리고 우리나라에서도 1998년에 제정된 Braintech 21의 법안에는 이러한 의지가 반영되어있다.

 AD의 경우 60세 이상의 노인중 2%에게서 나타나며, 2000년에는 전세계적으로 약 1200 만명에 이를 것으로 추정되며, 이 수는 미개발 국가로 의료기술이 확산되며 노년인구의 증가로 2025년에는 약 2000만명의 환자가 발생할 것으로 예상된다 (참고자료: http://www.alz.co.uk/). 뇌졸중의 경우 2025년에 약 1500만명의 환자가 발생할 것으로 추정된다. 미국의 경우 1997년에 400만명의 AD환자와 300만명의 뇌졸중환자가 보고되어 약 $1,300억이 소요되었는 데, 이를 토대로 추정해 보면 두 질환으로 인한 의료경비는 2000년에 약 $4,000억 (520조원)이 필요하다. 국내에서도 장.노 년층에서 발생하는 뇌질환이 사망의 주 원인이 되는데, 국가 경제 및 의학의 발전과 함께 더욱 심각한 경제적 문제로 대두될 것은 명확하다. 뇌세포의 사멸조절 시스템을 구축하여 뇌질환의 예방 및 치료방법의 전략을 수립하는 것은 국민의 삶의 질 을 증진시키고 경제적인 부담을 줄이기 위한 국가적인 과제이며, 이는 정부와 학계와 산업체의 밀접한 연계속에 가능하다.

 뇌졸중, 뇌손상, 알즈하이머병과 같은 노인성 뇌질환의 예방 및 치료 방법과 기술을 도출하기 위한 일차적 인 관건은 타당성있는 뇌세포사멸 모델의 정립이다. 이러한 모델에서 뇌세포사멸의 기전과 조절의 원리를 규명하고, 이를 토대 로 뇌세포사멸을 제어하고 손실된 뇌기능의 재생을 촉진하는 최적의 약리효과를 나타내는 물질 및 기술의 개발이 가능해지며, 최종적 으로 약리작용은 적절한 동물모델에서의 효능을 검증할 수 있어야 한다. 본 실험실(Center for the Interventional Therapy of Stroke and Alzheimer's Disease: 뇌졸중 및 치매의 중재요법 연구센터)은 1999년에 과학기술부로부터 국 가지정연구실로 지정되어 다양한 세포사멸모델과 동물모델을 제작하고 있으며, 본 연구실에서 규명한 뇌신경세포사 멸의 조절원리를 적용하여 최적의 뇌세포사멸제어 전략을 구축하고 있다. 실제로 본 연구실에서는 뇌세포사멸의 유도 및 분석을 위한 in vitro 와 in vivo 모델을 제작하고 있다.

■ 세포배양 모델

? Excitotoxicity (glutamate neurotoxicity, 흥분성 신경독성): 본 연구진은 excitotoxicity (흥분성 신경전달물질인 glutamate 수용체인 NMDA, AMPA, kainate receptors의 과도활성에 의한 뇌세포사멸)의 형태학, 약리학, 생화학적 특성 및 조절 기작을 배양한 뇌세포에 서 규명해왔다. 축적된 excitotoxicity에 의한 뇌세포 사멸의 유도 및 분석기술은 뇌졸중 및 외상성 뇌손상 등의 뇌질환 치료약물의 개발에 필수적인 기술이다.

? 산화적 독성: 뇌졸 중 또는 알즈하이머성 치매 환자에서 뇌세포사멸의 원인으로 활성산소가 보고되고 있다. 본 실험실에 서는 배양한 뇌세포에서 활성산소 유도물질(들)에 의한 세포사멸의 특성 및 경로를 분석하는 기술을 구축하였는데, 이는 효과적인 산화적 뇌세포독 성 제어제의 개발에 응용될 것이다.

? Apoptosis: 본 실험실에서는 배양한 뇌세포에서 뇌질환의 손상요인에 의해 유도되는 apoptosis의 과정에서 뇌세포 의 사멸경로를 심층적으로 규명해왔다. 이처럼 세포배양모델에서 유도되는 신경세포의 apoptosis를 선택적으로 제어하는 기술의 개발은 뇌 졸중과 치매의 치료제로 응용될 수 있다.

? Single Cell RT-PCR 기술을 이용한 선택적 신경 세포 사멸 기작 연구: 뇌졸중 이나 노인성 치매와 같은 퇴행성 뇌질환 과정 중에서는 특정 부위의 신경 세포들 (CA1 neurons and somatostatin neurons in hipocampus, Cholinergic neurons in basal forebrain)이 선택적으로 먼저 사멸하는 현상이 발견된다. 이와 같이 특정 신경 세포들은 먼저 사멸하는 반면 일부의 신경 세포들은 injury를 받지 않고 선택적인 생존을 하는 현상이 발견되는데 이를 선택적 신경 세포 사멸이라 한다. 이러한 선택적 사 멸 기작을 밝힌다면, 뇌졸중 및 퇴행성 뇌질환시에 신경 세포들이 사멸되는 원인을 알아낼 수 있고, 이를 이용하여 이러한 사멸을 억제할 수 있는 기술을 개발할 수 있을 것으로 생각된다. 따라서, 이러한 기작을 연구할 수 있는 기술 확보가 시급하다. 선택적 뇌세포 사멸을 연구하기 위해서는 선택적으로 사멸하거나 생존한다고 알려진 적은 양의 세포에서 발현되는 유전자들의 변화를 측정해야 한다. 특히 이러한 세포들의 특이적인 염색법이나 면역 염색법을 통해서만 확인할 수 있는 경우가 많기 때문에 연구에 기술적으로 어려운 점이 많다. 본 연구진은 이러한 문제를 해결할 수 있는 새로운 방법인 single cell RT-PCR & single cell RNA amplification 방법을 도입하여 신경 세포의 선택적 사멸 원리를 규명하고 있다

Doo Yeon Kim, Sun Hee Kim, Hyun Bum Choi, Chul-ki Min, and Byoung Joo Gwag (2001) High abundance of GluR1 mRNA and reduced Q/R editing of GluR2 mRNA in individual NADPH-diaphorase neurons. Mol. Cell Neurosci. (in press)

■ 뇌질환 동물모델:

뇌질 환 동물모델로 사용중인 동맥폐색에 의한 뇌졸중 모델은 본 연구진에서 일상적으로 사용하고 있으며, 외상성 뇌손상 (traumatic brain injury)을 위하여 controlled pneumatic cortical impact 모델과 closed head injury 모델, 척수경막위에 weight-drop device를 이용한 척수손상모델이 제작되고 있다.

변성 된 APP 나 presenilins의 transgenic mouse를 이용한 알즈하이머성 치매의 동물모델이 금년중으로 제 작될 것으로 전망된다. 이러한 뇌질환모델의 기술정립은 살아있는 동물에서 뇌세포 퇴화의 원리를 이해함은 물 론 새로운 세포사멸조절기술과 접목되어 노화에 의한 뇌질환의 예방과 치료에 이용될 것이다.

▶ 본 연구 진은 뇌졸중에 의한 신경세포의 사멸은 흥분성 독성, 산화적 독성, 고사 (apoptosis)가 혼합하여 나타나 며, 각각은 특이한 경로를 통하여 진행한다는 증거들을 제시해왔다. 따라서, 본 연구진은 물론 세계의 유수 대학, 정부출연 연구소, 산업체에서는 뇌졸중의 치료약물 개발을 위하여 신경세포보호약물의 개발에 주력하고 있다.

■ Excitotoxicity 제어약물의 개발

? 다양 한 glutamate antagonists가 합성되어 뇌졸중의 치료약물로 개발되어 왔지만, 동물 및 임상실험에서 약물자체의 효능이 기대밖으로 미비하였고, antagonists자체의 독성효과가 보고되면서, 보다 효과적인 excitotoxicity 방지약물의 개발의 필요성이 대두되었다.

? 본 실험실에서는 배양한 뇌세포에서 excitotoxicity에 의한 신경세포 사멸의 경로 및 특성을 규명하 고 있다. 최근, NMDA 와 AMPA/kainate에 의한 신경독성을 동시에 억제하는 non-natural peptide (NET98001)을 최초로 발견하였는데, 그 특징은 receptor에 결합하지 않으며 유효농도에서 독성이 나타나지 않는다는 것 이다. 이러한 선도화합물을 기본구조로 molecular modeling을 통하여 NMDA나 AMPA/kainate receptor에 특이성을 갖는 peptide 화합물(들)을 합성하여 약리작용이 탁월하고 뇌로의 유입이 용이한 최적화합물을 도출하려고한다. 이러한 무 독성 excitotoxicity 억제약물의 도안과 합성은 뇌졸중 치료전략의 핵심기술이 된다.

? 더욱 이, 본 실험실은 (주)뉴로테크와 공동으로 새로운 뇌졸중 치료약물을 개발하고 있는데, NEU-2000와 NEU-S는 NMDA 흥분성 독성억제는 물론 항산화, 항혈액응고 효과를 보유하고 있어 강력한 뇌졸중 치료제로 개발될 것으 로 예상하고 있다.

■ Caspase 계열 단백질 분해 효소에 대한 새로운 특이적 뇌기질 단백질 탐색 및 억제제 개발 :

본 실험실에서 는 excitotoxicity나 apoptosis에 의해 신경세포가 사멸하는 과정에서 각각에 특이한 단백질 분해 효소들이 활성화된다 는 것을 발견하였는데, 이러한 단백질 분해효소들은 세포사멸의 execution phase에 작용한다. 특히 caspases 계열 protease의 활 성억제는 알즈하이머성 치매에서 뇌세포의 퇴화를 제어할 것으로 추정된다. 본 연구진은 새로운 아미노산 서 열 분석 프로그램인 'PHI-BLAST(Pattern Hit Initiated-BLAST)'를 이용하여 gene bank로부터 여러 caspase 기질단백질들을 검색하여, 이들이 뇌세포 사멸에 어떻게 관여하는 지를 연구하고 있다. 이렇게 확인된 casapses 기질단백질의 절단부위를 기본구조로하여 다양한 peptides 화합물 을 합성, 이들의 구조-약리효과 관계를 정립한 후, molecular modeling을 통해 궁극적으로 membrane-permeable, stable, and specific casapses inhibitors을 개발하여 뇌질환 치료에 적용하고자 한다.

■ 마이토콘드리아 기능증진

? 노화 의 과정, 특히 알즈하이머병 환자에서 마이토콘드리아내에 DNA mutations, respiratory chain의 효소 complex I/IV의 활성 감소, thiamine-dependent 효소들인 pyruvate dehydrogenase/2-ketoglutarate dehydrogenase의 활성감소, 및 glucose 대사의 감소등이 보고되어 왔다. 이러한 마이토콘드리아의 기능손상은 세포내 활성산소의 생성 및 축적, excitotoxicity, 및 apoptosis등에 의해 뇌세포 사멸로 이어지게 된다. 따라서, 마이토콘드리아의 기능을 강화하면 뇌세포의 정상적인 기능을 유지하고 노화로부터 뇌세포의 퇴화 를 방지할 수있지만, 현재 마이토콘드리아의 기능증진을 위한 적절한 방법 및 기술이 제시되어 있지않다. 흥미롭게도, 본 연구진은 고농도의 포도당을 지속적으로 투여하면 마이토콘드리아의 membrane/redox potentials을 증진시키며 NMDA 및 산화적 독성에 의한 신경세포의 사멸을 억제하여 뇌졸중에 의한 뇌세포의 사멸을 억제할 수있다 는 것을 발견하였다. 이러한 결과를 바탕으로 본 연구진은 마이토콘드리아의 기능을 증진 또는 대체하는 방법을 개발하여 노인성 뇌질환의 치료 및 예방에 이용하려고 한다.

■ 리튬의 신경세포보호효과 규명

리튬은 신경안 정제로서 우울증의 치료에 사용하고 있다. 본 연구진은 리튬이 신경세포의 apoptosis를 선택적으로 억제한다 는 것을 규명하였다. 리튬은 신경세포내에서 PI3-K를 활성- PLCr 활성- IP3 생성 - 세포내 Ca2+의 증가를 통하여 apoptosis를 방지한다.

■ 신경성장인자와 gangliosides의 신경세포사멸조절 효과규명

본 연구진은 신 경성장인자와 gangliosides가 PI3-K를 활성을 통하여 신경세포의 apoptosis를 선택적으로 억제한다는 것을 발견 하였다. 흥미로운 것은 신경성장인자와 gangliosides가 활성산소에 의한 신경세포의 oncosis (swelling necrosis)를 상당히 증폭시킨다는 것이다.

본 연구진의 핵심가설은 뇌졸중, 뇌손상, 퇴행성뇌질환(특히, AD와 PD)의 과정에서 신경세포의 사 멸의 형태는 excitotoxicity, oxidative stress, apoptosis이며, 각각은 특이한 형태학, 약리학, 생화학적 특성을 보이며, 따라 서 각각에 특이한 신경세포보호 약물들이 개발되어야 한다는 것이다. 이처럼 mechanism-based drug development를 통하여 약물의 부작용을 방지하고 기존의 치료전략의 한계를 극복 할 수 있을 것이다.