바이오인

핵심내용

-앙게반테 케미지 발표,“암세포 속 면역세포의 항암치료 효능을 극대화하다”-

 □ 환자 자신의 면역세포와 나노기술을 이용해 항암치료의 효능을 높이는 기술이 국내 연구진에 의해 개발되어, 향후 새로운 암 치료법 개발에 가능성을 열었다. 

 ○ 충남대 임용택 교수(40세)가 주도하고, 김지현 연구원과 노영욱 박사가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심연구)과 보건복지부 및 기초기술연구회(NAP) 등의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 독일화학회가 발간하는 화학분야의 권위 있는 학술지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’지 최신호(9월 18일자)에 게재되었다.

 (논문명: Multifunctional Hybrid Nanoconjugates for Efficient In Vivo Delivery of Immunomodulating Oligonucleotides and Enhanced Antitumor Immunity)

□ 지난 수십 년간 의학과 생명공학의 눈부신 발전에도, 암은 여전히 정복하기 어려운 질환 중 하나로 남아있다. 특히 우리나라 사망원인의 1위를 차지하고 있고, 고령화 사회로 접어들면서 암환자 수는 지속적으로 증가하고 있다. 

 ○ 최근에는 암환자 면역세포의 면역력을 증강시켜 암세포를 치료하는 항암면역치료제가 차세대 항암치료제로 각광받고 있다. 항암면역치료는 환자 자신의 면역세포를 이용하기 때문에, 화학(약물) 및 방사선 치료로 인한 부작용과 항암치료에 대한 거부반응이 적어, 환자의 신체적 부담을 최소화하는 새로운 암 치료법이다.

 ○ 그러나 암세포는 면역세포의 면역력을 억제하거나 차단하여 스스로를 지키려는 특성이 있다. 따라서 기존의 항암면역치료제는 암환자 면역세포의 면역력을 극대화하는데 한계가 있었다.

 ○ 수지상세포(대표적인 항원제시세포)는 암세포 속에서 암 항원을 인식한 후 2차 면역기관으로 이동해 암세포를 공격하는 T세포에 암 항원 정보를 전달하고, 신호를 받은 T세포는 암세포 조직으로 이동하여 암세포의 증식을 억제한다. 따라서 항암면역세포의 효능을 높이기 위해서는 수지상세포의 면역을 활성화하는 것이 무엇보다 중요하다. 그러나 암세포 속의 수지상세포는 활성화를 억제하는 분자(STAT3) 등에 의해 활성화가 억제되어 면역 활성화에 어려움이 있었다.

 ○ 또한 항암면역세포 치료를 위해서는 외부에서 환자의 암에 대한 정보(암 항원)를 수지상세포에 전달해주는 과정이 필요한데, 기존의 치료법은 암 항원이 알려진 일부 암 치료에 국한되어 있어 항암면역세포 치료법의 보급화에도 문제가 되었다. 

□ 임용택 교수 연구팀은 면역세포를 활성화하는 면역증강물질(단편 DNA)과 면역억제 유도 유전자를 파괴하는 RNA(작은 간섭 RNA)로 나노복합체(나노컨쥬게이트)를 만들어, 암 치료 효능을 극대화한 신개념 항암면역세포 치료제를 개발하였다. 

 ○ 임 교수팀은 면역력을 높이는 단편 DNA를 넣어 수지상세포를 활성화하고, STAT3를 파괴하는 작은 간섭 RNA를 결합하여 외부에서 암 항원 정보를 제공하지 않아도 항암효과를 극대화한 나노컨쥬게이트의 원천기술을 개발하는데 성공하였다.

 ○ 또한 연구팀은 치료효과를 쉽게 확인할 수 있도록 면역을 활성화하는 분자에 근적외선 형광 나노조영제를 결합하고, 외부를 생체친화성 고분자로 포장함으로써 면역세포 활성화 분자를 암세포 주위의 면역세포에 효과적으로 전달되도록 제조하여 항암면역치료 효과를 더욱 높였다.

 ○ 연구팀은 암이 유발된 실험동물(생쥐)에 하이브리드 나노컨쥬게이트를 투여한 결과, 기존의 면역증강제(CpG ODN)만을 투여한 것에 비해 암 치료율이 3~8배 높아졌음을 확인하였다.

□ 임용택 교수는 “이번 연구는 항암면역기능을 담당하는 두 분자(단편 DNA와 작은 간섭 RNA)를 결합하여 기존의 항암면역치료제보다 암 치료 효과를 최소 3배 이상 높일 수 있었다”며, “특히 이 기술은 항원이 알려진 암이나 질병 치료에만 쓰이던 기존의 항암면역세포 치료제의 한계를 극복하여, 다양한 암과 질병 치료에 두루 활용할 수 있는 원천기술이 될 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

Multifunctional Hybrid Nanoconjugates for Efficient In Vivo Delivery of Immunomodulating Biomolecules and Enhanced Antitumor Immunity
Ji Hyun Kim, Young-Woock  Noh, Min Beom Heo, Mi Young Cho and Yong Taik Lim
(Angewandte Chemie)

암의 치료를 위하여, 과거에서부터 현재까지 수술이나 항암화학요법, 방사선요법 등의 방법을 주로 이용해 왔으나, 2000년대에 들어서면서 부작용과 항암치료에 대한 거부반응이 적어 환자의 신체적 부담을 최소화 할 수 있는 암 치료 방법으로 면역세포를 이용한 면역치료방법이 큰 관심을 받고 있다. 특히, 수지상세포에 기반을 둔 암 치료는 수지상세포가 직접 암세포를 공격하는 것이 아니라, 암세포 조직 내에서 활성화된 수지상세포가 2차 림프기관으로 이동하여 실제적으로 암을 공격할 수 있는 T 세포 (CTL) 등에 정보를 전달하여 암의 사멸을 유도하는 치료기법이다. 효과적인 항암면역세포 치료를 위해 Toll like receptor (TLR)를 통한 수지상세포의 활성화가 반드시 필요한데, 암세포 조직 내의 수지상세포는 STAT3와 같은 분자들에 의해 활성화가 억제되어 있다.

이 연구에서는 다기능성 나노입자를 이용하여 생체 내 가장 강력한 항원제시세포인 수지상세포 (dendritic cell)를 활성화시켜 항암치료 효과를 증진시키고자 하였다. 효과적인 항암치료를 위한 수지상세포를 활성화시키기 위하여, TLR을 통한 수지상세포의 활성화를 유도하는 면역증강제인 CpG ODN을 사용하였고, 활성화를 억제하는 분자인 STAT3를 siRNA라는 RNAi 기법으로 발현을 억제시킴으로써, 더욱 효과적으로 활성화를 유도하였다.

또한, 본 연구에서는 근적외선 영역대에서 in vivo 추적이 가능한 양자점 (Quantum dot)에 CpG ODN과 STAT3 siRNA를 부착하고, 이를 생체친화성 나노입자 내에 봉입하여 하이브리드 나노컨쥬게이트 (hybrid nanoconjugates; HNCCpG-STAT3siRNA)를 형성하였다. 이 입자는 수지상세포내로 잘 uptake되도록 PLGA 고분자 물질을 이용하여 제작되었고, 세포내 리소좀 (lysosome)에서 STAT3 siRNA가 효과적으로 세포질 내로 방출되도록 SPDP Cleavable linker을 사용하여 수지상세포의 STAT3의 발현 억제를 효과적으로 유도하였다. 또한, 동물실험에서 근적외선 영상을 통해 하이브리드 나노컨쥬게이트를 수지상세포가 주로 uptake 하였음을 증명하였고, 수지상세포가 2차 림프기관으로 이동하는 현상을 추적할 수 있었으며, 2차 림프기관으로 이동한 수지상세포는 T세포 기반 항암 면역 유도에 중요한 사이토카인 물질인 IL-12, TNF-α, IL-6등이 발현 및 생산하는 것을 확인하였다. 실제적으로 암이 유발된 실험동물에 하이브리드 나노컨쥬게이트를 투여하여 면역증강제인 CpG ODN만을 투여한 실험동물에 비해 암치료율을 월등히 높일 있음을 증명하였다.

이러한 결과를 종합해 볼 때 하이브리드 나노컨쥬게이트를 이용하여 강력한 항암면역세포인 수지상세포를 활성화시켜 항암치료 효과를 증진시킬 수 있었으며, 근적외선 형광영상기법을 이용하여 항암면역세포 치료과정을 모니터링 할 수 있음을 확인하였다. 이는 기존의 항암면역치료제의 개선점인 면역세포의 활성화 효율을 높이는 어려움을 해결해주고, 항암면역치료제의 치료과정을 모니터링 함으로써, 치료 효과를 쉽게 확인할 수 있다는 장점이 있음을 보여주고 있다. 또한, 기존의 항암면역세포 치료는 항원이 알려진 암 또는 질병의 치료에 국한되어 있는 반면, 이런 다기능성 나노입자를 이용한 면역세포 치료기술은 다양한 암 및 질병 치료를 위해 광범위하게 응용할 수 있을 것으로 생각된다.

용   어   설   명

1. Angewandte Chemie
○ 응용화학 연구 분야에서 최고의 권위를 인정받고 있는 대표과학전문지. 전 과학 분야에서 상위 1.1% 이내에 랭크되는 학술지로, 융합(Multidisciplinary) 분야에서 4.6%(7위/152개) 이내에 든다. (피인용지수: 13.455)

2. 수지상세포 (dendritic cell)
○ 강력한 항원전달세포(antigen-presenting cell) 중의 하나이며, 수상돌기처럼 막의 돌기를 가진 면역세포이다. 인체에 바이러스, 세균 등 감염이나 종양과 같은 비정상적인 세포가 생겼을 때 이를 인식하고, T-세포에 정보를 제공하여 공격을 유도한다.

3. 면역증강제
○ 질병을 치료, 혹은 예방하기 위하여 생체의 면역기능을 보강, 증강해주는 면역치료제의 한 종류이다. 특히, 면역세포 표면에 있는 톨유사수용체에 특이적으로 반응하여 면역활성을 증가시켜주는 물질이 많이 이용되고 있다. 면역증강제가 (TLR: Toll-like receptor)가 발현되어 있는 면역세포 (대식세포, 수지상세포) 들을 활성화시켜 사이토카인들의 분비를 촉진시키고,  T 세포 또는 B 세포의 면역반응을 유도한다.

4. 사이토카인
○ 면역세포에서 주로 생성 및 분비되어 신체의 방어체계를 제어하고 면역 반응을 조절하는데 관여하는 신호전달 인자이다. 일반적으로 인터루킨 인터페론, 세포증식 및 분화인자 등 면역에 관련되어 있는 저분자 단백질이 많이 알려져 있다.

5. 단편 DNA
○ 박테리아나 바이러스로부터 유래된 특정 염기 서열 (CpG)을 갖고 있는 올리고 핵산 (ODN)으로 면역세포 표면에 있는 톨유사수용체 9 (TLR9)와의 상호작용으로 면역 활성화를 증가시키는 면역증강물질이다. 이 단편 DNA는 TLR9이 발현되어 있는 면역세포 (대식세포, 수지상세포) 들을 활성화시켜 면역반응 조절 인자인 사이토카인들의 분비를 촉진시키고, T 세포의 면역치료 능력을 증가시킨다.

6. STAT3 siRNA
○ 작은 간섭 RNA (siRNA)는 목표 유전자에 달라붙어 해당 유전자의 발현을 억제하며, 이를 ‘작은 RNA 간섭(siRNA)'현상이라고 한다. 즉 RNA를 암이나 바이러스 등 유전자에 인위적으로 달라붙게 해 해당 유전자를 억제하면 질병을 치료하는 등 다양하게 생명현상을 조절할 수 있다. 특히, STAT3 (Signal transducer and activator of tranion-3)는 면역세포의 활성화를 통한 사이토카인 등 면역관련 신호전달 물질의 발현을 조절하는 분자로 siRNA에 의해 STAT3의 발현이 억제되면 면역 활성화가 증가되는 현상을 보이고 있다.

7. 나노컨쥬게이트
○ 면역증강물질인 단편 DNA와 STAT3를 파괴하는 작은 간섭 RNA를 근적외선 형광입자인 양자점 나노입자에 결합한 후 외부를 생체 친화성 고분자로 포장하여 나노크기의 구조적 특성을 나타내는 나노복합체이다. 나노컨쥬게이트는 면역세포를 활성화하여 항암면역능력을 증가시키고 근적외선 형광을 통해 생체내의 치료과정을 모니터링 할 수 있는 다기능성 나노복합체이다.

사   진   설   명

그림 1. 하이브리드 나노컨쥬게이트의 항암면역세포치료 개념도
       (a)  하이브리드 나노컨쥬게이트를 항암면역세포치료의 메커니즘을 보여주는 사진. 하이브리드 나노컨쥬게이트에 의해 암세포 조직 내 수지상세포가 활성화되고 2차 면역기관으로 이동하여 T 세포의 항암치료기능을 증가시킨다. 이 T 세포가 암세포 조직으로 침투하여 암세포를 공격, 암 치료 효과가 나타난다.
       (b)  하이브리드 나노컨쥬게이트의 구조. 이미징 조영제에 linker를 이용하여 STAT3 siRNA와 CpG ODN을 결합하고 이를 항암면역세포치료제로 활용함.

그림 2. 하이브리드 나노컨쥬게이트 항암면역치료제의 치료 효과.
       (a)  하이브리드 나노컨쥬게이트를 암이 유발된 실험동물에 투여 후 (하얀색 화살표) 72시간 내

              에 암세포 조직 주변 면역기관 (림프절) 오로(하얀색 삼각형) 이동되었음을 보여줄 수 있는

              근적외선 형광 이미징 사진.
       (b)  하이브리드 나노컨쥬게이트를 암이 유발된 실험동물에 투여 48시간 후 암세포 조직 주변 림

              프기관에서 분리한 수지상세포에서 STAT3 유전자 발현이 억제되었음을 증명해주는 사진.
        (c) 하이브리드 나노컨쥬게이트에 의해 수지상세포의 사이토카인 생성이 증가됨을 보여주는 사

              진.
        (d) 하이브리드 나노컨쥬게이트를 암이 유발된 실험동물에 투여 후 20일 이내에 암세포의 성장

              이 억제되는 치료효과가 나타남을 증명해주는 사진.

[사진설명] 이번 연구를 주도한 임용택 교수(가운데)와 김지현 연구원(왼쪽), 노영욱 박사