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헬리코박터균 감염 치료 후보물질 발굴

- 3차원 위 오가노이드를 활용해 헬리코박터균 감염 초기의 위 세포 손상 기전을 규명하고, 인산화효소 저해제 ʻMLN8054ʼ의 치료 효과 검증

- 기존 항생제 치료와 함께 활용 시 치료 효과 극대화 기대

□ 우리나라 위암 발생률은 세계 1위이다. 위암 발병을 높이는 요인으로 식습관, 음주, 신체활동 부족 등과 함께 헬리코박터 파일로리 감염이 손꼽히고 있는 가운데 국내 연구진이 헬리코박터 파일로리 감염 치료에 대한 새로운 대안을 제시하였다.

□ 한국생명공학연구원(원장 김장성) 국가아젠다연구부 손미영 박사 연구팀은 위 오가노이드를 이용해 헬리코박터 파일로리(Helicobacter pylori, 이하 헬리코박터균) 감염에 의한 위 세포 손상 기전을 규명하고, 이를 치료하는 후보물질을 발굴하는 데 성공했다고 밝혔다.

ㅇ 이번 연구성과는 기존의 항생제를 이용한 헬리코박터균 제균 치료와 병용 활용하면 치료 효과를 극대화할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

□ 헬리코박터균 감염증은 세계적으로 가장 흔한 감염성 질환의 하나로 헬리코박터균이 위장 점막에서 기생하며 위염, 위궤양, 십이지장 궤양 및 위선암 등을 일으키는 질병이다.

ㅇ 지역마다 차이는 있지만 전 세계 인구의 약 절반 정도가 헬리코박터균에 감염되어 있는 것으로 알려져 있으며 우리나라 감염률 역시 40~50%로 추정되고 있다.

□ 헬리코박터균에 감염되었다고 해서 반드시 치료가 필요한 것은 아니지만, 헬리코박터균은 WHO(World Health Organization, 세계 보건 기구)가 지정 1급 발암물질이며 헬리코박터균 감염 환자는 일반인보다 위암에 걸릴 위험도가 3~6배 높은 것으로 보고되고 있어 위암 예방과 위암의 진행을 막기 위한 효과적인 치료법 발굴이 요구되고 있다.

□ 현재 헬리코박터균 감염증 치료에는 항생제로 헬리코박터균을 제거하는 방법이 가장 널리 이용되고 있다. 하지만 헬리코박터균은 위장 점막의 표면이나 위의 점액에 존재하여 치료약물이 균이 있는 곳까지 충분히 도달하지 못하는 경우가 많으며, 여러 차례 항생제에 노출이 된 적이 있는 경우에는 내성이 생겨 치료가 쉽지 않다.

ㅇ 특히 제균 치료만으로는 손상된 위 점막을 복구할 수 없고, 유익균까지 제거되는 부작용이 있어 손상된 위 점막을 회복할 수 있는 치료제 개발에 대한 수요가 꾸준하다.

□ 연구팀은 3차원 위 오가노이드를 활용해 헬리코박터균 감염 초기에 일어나는 위 점액세포 손상 기전을 규명하고, 감염으로 손상된 위 세포를 회복하게 하는 치료제 후보물질을 발굴하였다.

ㅇ 연구팀은 헬리코박터균이 체내에 침입 시 처음 자리 잡는 위 전정부(antrum)의 특징을 갖는 전분화능 줄기세포 유래 3차원 위 오가노이드 제작에 성공하며 헬리코박터균이 분비하는 VacA(Vacuolating cytotoxin A, 세포 공포화독소)에 의한 변화를 관찰하여 위 점막 세포 미토콘드리아의 기능 저하 현상을 밝혀내었다.

ㅇ 나아가 오가노이드 모델과 생쥐 모델에서 인산화효소(kinase) 저해제인 MLN8054가 VacA 독소뿐만 아니라 미생물 감염으로 손상된 위 상피세포를 회복하게 한다는 사실을 규명하며 헬리코박터균에 의한 위 손상 치료 후보물질로서의 활용 가능성을 확인하였다.

□ 연구책임자인 손미영 박사는 “그동안 헬리코박터균 관련 연구에는 주로 암 세포주나 마우스 모델이 활용되었는데 이번 위 오가노이드 기반 연구로 한계로 지적되던 종간 특이성과 같은 한계를 극복해낼 수 있었다.”라며,

ㅇ “향후, 오가노이드를 활용하여 인체 반응 예측을 통해 유효성분을 빠르고 정확하게 도출하여 신약개발 성공률을 높일 수 있을 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

□ 한편 이번 연구성과는 9월 26일 세계적인 과학저널인 Biomaterials (IF 12.8) 온라인 판에 게재되었으며,

(논문명 : Helicobacter pylori VacA-induced mitochondrial damage in the gastric pit cells of the antrum and therapeutic rescue / 교신저자 : 생명연 손미영‧박두상‧손명진 박사 / 제1저자 : 생명연 손예슬‧이무승 박사, 경북대 권용환 교수)

ㅇ 과기정통부 Korea Bio Grand Challenge사업, 범부처 재생의료기술개발사업, 식약처 첨단 독성평가기술 기반구축사업, 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.

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그림1. 핼리코박터 파일로리 감염과 VacA 독소 노출 시 인산화효소(키네이스) 저해제의 효능 모식도


그림2. 헬리코박터 파일로리 VacA 독소에 의한 위 표면 점액세포의 미토콘드리아 손상 관찰

  A. 전분화능 줄기세포로부터 3차원 위 전정 오가노이드(Antrum gastric organoid) 제작과정 모식도 및 세포 사진
  B. 정상 및 VacA 처리 전정 위 오가노이드의 단일세포 RNA 시퀀싱을 통한 t-Stochastic Neighbor Embedding (t-SNE) 분석 및 주요 세포 클러스터 분석
    C. 정상 및 VacA 처리 전정 위 오가노이드에서의 MUC5AC+, MUC6+, SOX9+, SST+ 세포 마커 발현 분석
  D. 면역염색을 활용한 정상 및 VacA 처리 전정 위 오가노이드의 세포 타입 별 미토콘드리아 역동성 조사 결과
    E. 면역염색 기반 세포타입 별 미토콘드리아 길이 정량화 그래프


그림3. 정상 및 헬리코박터 파일로리 감염 환자의 위 조직을 기반으로 전정 위 오가노이드에서 관찰했던 표현형이 동일하게 재현되는지 검증하여 오가노이드 모델의 유효성을 검증

  A. 정상 및 헬리코박터 파일로리 감염 환자 위 조직을 활용한 VacA 독소 면역조직화학염색 결과
  B. 정상 및 헬리코박터 파일로리 감염 환자 위 조직을 활용한 밀접접합 마커 면역조직화학염색 및 유전자 발현 분석 결과
  C. 정상 및 헬리코박터 파일로리 감염 환자 위 조직을 활용한 PAS 염색, 면역염색(뮤신, 미토콘드리아) 결과 및 뮤신 발현·미토콘드리아 길이 정량 분석 결과  


그림4. 헬리코박터 파일로리 감염 위 오가노이드 및 생쥐 모델에서 MLN8054 약물의 위벽 기능 회복 확인

  A, C. 전정 위 오가노이드와 생쥐 모델 기반 헬리코박터 파일로리 감염 및 MLN8054 처리 조건에 관한 모식도
  B, D. 면역형광염색 결과. 헬리코박터 파일로리, 위 상피세포, 미토콘드리아, 뮤신 염색 
  E. 미감염 대조군, 헬리코박터 파일로리 감염, 헬리코박터 파일로리 감염 및 MLN8054 처리 전정 위 오가노이드의 뮤신 형성능 검증

...................(계속)

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