바이오인

 □ 전 세계적으로 혈액부족 현상이 심각한 사회 문제로 급부상하고 있다. 2019년 미국 워싱턴대학교의 조사결과에 따르면 전 세계 196개국 중 119개국이 혈액 부족현상을 겪고 있는 것으로 나타났다.

  ○ 특히 한국은 초저출산-초고령화 사회로 빠르게 진입하고 있어 공급자와 수급자 사이의 심각한 불균형이 예상되므로 안정된 수혈을 위한 인공혈액 연구개발이 더욱 중요하다.

 □ 초기 인공혈액 개발은 헤모글로빈 단백질과 산소 결합능력이 뛰어난 화합물을 이용하여 보관, 운반, 주입 등의 편의성을 갖는 것을 주된 목표로 하였으나, 최근에는 생체와의 적합도를 높여 안전성이 충분히 확보된 인공혈액 개발로 목표가 바뀌고 있다.

 □ 한국생명공학연구원(원장 권석윤, 이하 생명연) 미래형동물자원센터 김선욱 박사팀은 유전체편집과 형질전환·체세포핵치환 기법을 기반으로 고도로 면역결핍된 미니돼지를 세계 최초로 개발하는데 성공하며, 인공혈액 개발시기가 앞당겨질 것으로 기대되고 있다.

 □ 미니돼지는 체격이 큰 중대형 실험동물(이하 중대동물)로 혈액량이 많고 장기 크기와 생리학적 특징이 인간과 유사하여 생체 내에서 인간의 혈액을 재생시키기 위한 최적의 동물로 평가된다. 미니돼지에 인간의 조혈줄기세포와 같은 이종세포를 생착시켜 재생을 유도하기 위해서는 T-세포, B-세포, NK-세포 등이 없는 면역결핍 상태이어야 하는데 이는 인간세포와 같은 외부세포를 이식했을 때 거부반응을 일으키지 않기 때문이다. 

 □ 미국, 일본 등 주요국은 지난 10여 년간 인간 희귀난치질환 중 하나인 중증복합면역결핍(Severe-Combined Immunodeficiency, SCID)의 원인유전자 단독 또는 복합적으로 결손시킨 미니돼지 모델 개발 연구를 진행해 왔으나, 림프구 결핍 표현형만 보이는 단순 SCID 동물모델만 개발하고 있어 보다 광범위하고 고도화된 면역결핍 미니돼지 개발이 필요한 상황이었다.

 □ 연구팀은 유전자가위(CRISPR/Cas9)를 활용하여 미니돼지 최초로 JAK3(주로 백혈구 등 면역세포에서 발현되는 티로신 키나아제) 유전자를 결손시킨 넉아웃(Knock-Out) 모델을 생산하고 특징을 분석하였다.

  ○ 그 결과 기존에 개발된 미니돼지보다 T-세포, B-세포, NK-세포와 같은 림프구의 결핍은 물론 단핵구 감소 및 대식세포 기능 저하와 같은 골수종 세포의 이상과 흉선 결손, 장 면역 손상 등 보다 광범위적으로 고도화된 면역결핍 특징을 보였다.
  ○ 국내 연구진이 희귀난치질환 기초·전임상 연구개발 촉진과 인간 줄기세포와 같은 이종 세포의 생체 내 이식 및 재생을 가능케할 고도의 면역결핍 미니돼지 개발에 성공한 것이다.

 □ 이는 중증복합면역결핍과 같은 희귀난치질환 극복은 물론 미니돼지에서도 마우스와 같이 고도의 면역결핍을 통해 세포·조직의 인간화가 가능한 첨단모델동물 또는 생체 재생공장으로 개발이 가능해졌다는 것을 의미한다.

  ○ 또한, 인간 줄기세포, 전구세포 등의 이식을 통해 인공혈액, 인공심장, 인공췌장과 같은 차세대 바이오인공장기 개발 가속화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

 □ 연구책임자인 김선욱 박사는 "이번 연구성과로 사람의 혈액을 중대동물의 생체 내에서 재생시키는 인공혈액 개발과 같은 차세대 바이오 인공장기 연구개발이 가속화될 것이다."라며, "그동안 인간화 연구가 필요했던 미니돼지 분야의 장벽들을 하나씩 허물게 하는 중요한 전환점으로 향후 면역결핍 미니돼지를 안정적으로 유지관리하고 활용할 수 있는 첨단 인프라의 구축에 매진하여 첨단바이오/재생의학 분야에서 새로운 글로벌 초격차 창출에 성심을 다하겠다."고 포부를 밝혔다.

 □ 이번 연구는 저명한 국제학술지인 Journal of Advanced Research (IF 11.4) 4월 23일자 온라인 판에 게재되었으며, (논문명 : JAK3-deficient mini-pigs exhibit impaired lymphoid organogenesis, intestinal structure, and leukocyte/cytokine production / 교신저자 : 김선욱‧심보웅 박사 / 공동 1저자 : 정필수‧양해준‧박영호 박사)

  ○ 이번 연구는 국가과학기술연구회 주관 BIG(Big Issue Group)사업(생명연 주요사업) 및 과기정통부 다부처 국가생명연구자원 선진화 사업의 지원으로 수행되었다.

 그림 1. 세계 최초 JAK3 넉아웃 미니돼지 개발 및 고도의 면역결핍 표현형 규명 모식도

 ◦ JAK3 넉아웃 미니돼지의 면역기관과 림프구 세포 발달 장애 관찰
 ◦ JAK3 넉아웃 미니돼지의 단핵구/대식세포 분화 및 대식세포 활성화 등 골수종 세포 이상 관찰
 ◦ JAK3 넉아웃 미니돼지의 인간 SCID 환자 유사 표현형 특성 및 임상 증상 확인

그림 2. JAK3 유전자가 결손된 형질전환 복제 미니돼지 생산

(a) JAK3 넉아웃 형질전환 복제 미니돼지 생산 과정 모식도

(b) JAK3 넉아웃 미니돼지 산자 사진

(c) JAK3 유전자 결손을  Sanger sequencing으로 확인

(d) JAK3 넉아웃 미니돼지 비장 및 간에서 추출한 mRNA의 PCR 분석

(e) JAK3 넉아웃 미니돼지 비장에서 추출한 단백질의 Western blot 분석

그림 3. SCID 미니돼지 모델의 면역 세포 형성 확인을 위한 V(D)J 재조합 분석

(a) V(D)J 재조합 분석을 위한 모식도

(b) SCID 미니돼지의 비장 및 골수를 이용한 V(D)J 재조합 분석 결과

그림 4. SCID 미니돼지 모델의 혈액 분석과 대식세포 분극화에서의 역할 확인

(a) SCID 미니돼지 혈액 내 림프구, 단핵구 및 혈소판 수 분석

(b) SCID 미니돼지 신장  내 대식세포 관련 mRNA 발현  분석

(c) SCID 미니돼지 신장 내 CD169 대식세포 마커 발현 ELISA 분석

(d) SCID 미니돼지의 신장 내 CD68 대식세포 마커 발현 조직면역염색 분석

(e) CD68 조직면역염색 결과 정량 그래프

(f) SCID 미니돼지 신장 내 대식세포 분화 관련 mRNA 발현 분석

(g) SCID 미니돼지 신장 내 nitric oxide 정량 분석

(h) SCID 미니돼지 신장 내 염증 사이토카인 농도 ELISA 분석

...................(계속)

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