바이오인

핵심내용

패혈증을 억제하는 나노 약물전달체 개발
- 기존 치료제 단점을 극복한 패혈증 치료제 개발 기대 -

□ 미래창조과학부(장관 최양희) 및 한국연구재단(이사장 정민근)은 국내 연구진이 혈관 내피세포의 세포막 보호 및 항염증 효과를 활성화시키는 수용체*에 약물을 효율적으로 전달할 수 있는 나노 약물전달체를 개발했다고 밝혔다. 
  * 수용체 : 세포 밖에서의 자극을 인식하여 세포에 특정한 반응을 일으키는 단백질 구조체  

□  경북대 배종섭 교수와 KIST 김인산 박사 공동연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(중견연구자지원사업)과 보건복지부 연구중심병원R&D사업 등을 통해 연구를 수행하였으며, 연구 결과는 재료분야의 권위 있는 학술지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 온라인 판에 9월 29일 게재 되었다. 

 o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
   - 논문명 : A double-chambered protein nanocage loaded with thrombin receptor agonist peptide (TRAP) and γ-carboxyglutamic acid of protein C (PC-Gla) for sepsis treatment.
   - 저자 정보 : 배종섭 교수(공동 교신저자, 경북대 약대), 김인산 연구원(공동 교신저자, KIST), 이원화 박사과정(제1저자, 경북대)

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 1. 연구의 필요성
   ○ 패혈증은 미생물(바이러스, 세균 등)에 의해 혈액이 감염되어 전신에 염증반응이 일어나는 현상으로, 세계적으로 3번째로 높은 사망률(초기패혈증; 20∼40%, 중증패혈증; 40∼70%, 패혈쇼크; 80%이상)을 나타내는 난치성 질환이다.
   ○ 2001년 미국 FDA에서 승인된 유일한 패혈증 치료제였던 자이그리스®(xigris®, Eli Lilly사)가 2011년 10월에 패혈증 환자를 대상으로 한 임상시험에서 여러 부작용과 효능 없음이 밝혀져 시장에서 퇴출된 이후, 대체 치료제 개발이 시급한 상황이다.

 2. 발견 원리
   ○ 기존의 패혈증 치료제 자이그리스®(Activated Protein C, 이하 APC*)는 정상적인 혈액 응고를 방해하는 부작용과 약물이 주사된 후 효능이 반으로 줄어드는 시간(반감기)이 지나치게 짧은 단점으로 인해 그 효과가 미미한 한계가 있었다.
    ＊ APC는 EPCR과 PAR-1(Protease activated receptor-1)을 활성화시켜 세포 보호 작용, 항염증 작용, 항세포 사멸 작용, 항패혈 효과를 나타내는 물질이며, 자이그리스는 APC를 상품화한 제품

   ○ 이를 해결하기 위해, 본 연구에서는 체내에서 철의 주요한 저장물질이며 24개의 구성단위(subunit)가 공 모양으로 자가 조립 되어 쉽게 약물 전달체를 형성할 수 있는 페리틴*을 이용했다. 혈관 내피 세포에서 항염증 작용을 하는 EPCR 단백질 수용체와 혈액응고 등에 관여하는 PAR-1 단백질 수용체를 활성화시킬 수 있는 부위를 페리틴을 중심으로 양쪽 말단에 결합시켜 나노 약물전달체(PC-Gla**-Ferritin-TRAP***)를 만들었다.
     ＊ 페리틴(Ferritin): 나노크기의 다른 치료약물 전달체보다 안정적이고 체내 면역반응도 작으며, 유전적, 화학적인 변화가 용이한 내인성 물질임 
    ** PC-Gla: 기존 치료제 APC에서 혈관내피세포 단백질 C 수용체(EPCR)를 활성화시키는 부위
   *** TRAP(Thrombin Receptor agonist Peptide) : PAR-1을 활성화시키는 부위

   ○ 이를 통해, PC-Gla 및 TRAP를 보다 효율적으로 수용체(EPCR, PAR-1)를 활성화하여 APC의 항응고 부작용을 해결함과 동시에, 31분 정도이던 짧은 반감기를 5시간 43분으로 10배 이상 향상시켜 효능을 개선하였다.

3. 연구 성과
   ○ 강한 입자 형성 및 수용체 표적 능력으로 인해 안정적이고 효율적으로 혈관 내피세포의 수용체(EPCR, PAR-1)를 활성화시킬 수 있는 나노 약물전달체를 개발하여 PC-Gla의 효율적인 전달로 항염증 작용을 증가시킬 수 있었다.
   ○ 본 연구팀이 제작한 나노약물이 패혈증 쥐 모델의 생존율을 개선시키고 패혈증으로 인한 장기 손상, 혈관 염증 반응을 저해하는 효과를 검증했다.

□ 매년 여름 동아시아를 중심으로 발병하는 살인진드기, 2014년 에볼라 바이러스, 2015년 메르스 바이러스로 인해 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 많은 사망자와 감염자가 발생하였지만, 현재까지 확실한 백신이나 치료제가 없는 실정이다.

  o 이번 연구에 참여한 배종섭 교수는 “살인진드기, 에볼라 그리고 메르스 바이러스로 인한 사망 원인이 패혈증으로 밝혀졌으나 현재 공인된 치료제가 없는 실정이다. 이번 연구로 만들어진 약물을 토대로 향후 추가적인 실험 및 임상시험이 이루어져 새로운 패혈증 치료제가 개발되어 감염으로 인한 사망자를 줄이고 감염증 공포로부터 벗어났으면 좋겠다.”라고 연구의 의의를 밝혔다. 

상세내용

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 패혈증은 미생물 (박테리아, 포자, 바이러스) 감염에 의한 전신 염증 반응으로, 치료법의 한계와 치료제의 부재로 인해 높은 사망률을 나타내는 질병이다.
  ㅇ APC의 패혈증치료 기전은 EPCR (Endothelial Protein C Receptor)과 PAR-1 (Protease Activated Receptor-1) 2가지의 수용체를 통해 이루어진다. APC는 EPCR과 PAR-1을 통해서 염증반응과 세포사멸에 관여하는 유전자의 발현변화, 항염증 작용, 세포사멸 억제와 혈관내피세포막의 보호기능 등에 작용하는 것으로 알려져 있다.
  ㅇ APC의 부작용으로 APC를 투여한 환자 군에서 대조군에 비해 출혈의 빈도가 높고 출혈로 인한 사망자수가 2.4%로 나타남. APC는 출혈의 소지가 높은 면역저하자, 투석환자 등에서는 사용을 제한해야 해야 하는 한계를 가지고 있지만, 중증 패혈증 및 수반되는 패혈 쇼크환자에서 생존의 효과가 나타났다. 2001년 미국 FDA에서 유일하게 승인을 받았던 패혈증 치료제인 Xigris® (APC, Lilly)가 2011년 불명확한 효능으로 인해 제약시장에서 퇴출당한 이후, 현재 새로운 패혈증 치료제 개발이 시급한 실정이다.
  ㅇ 최근 페리틴의 안전성과 안정성 확보 및 변형이 용이한 장점을 활용하여 나노약물전달체를 연구 개발하였고, 나아가 본 연구팀은 약물의 표적전달의 효율을 극대화시키는 전략으로 페리틴을 이용한 패혈증 치료제 연구를 시작했다. 
  ㅇ 페리틴을 중심으로 N-terminal에는 TRAP (PAR-1 activator), C-terminal에는 PC-Gla (EPCR ligand)를 결합시키기 위해 유전자조작을 통해 단백질로 발현시켰고, 24개의 페리틴 subunit들이 자기 조립되어 구형의 나노약물전달체를 제작하였다.

 2. 연구내용
  ㅇ 연구팀은 EPCR과 PAR-1을 통해서 염증반응과 세포사멸에 관여하는 유전자의 발현변화, 항염증 작용, 세포사멸 억제와 혈관내피세포막의 보호기능 등에 작용하는 점을 착안하여 EPCR ligand인 PC-Gla (γ-carboxyglutamic acid of protein C)와 TRAP (thrombin receptor agonist peptide)을 자기 조립하는 페리틴 (Ferritin)에 결합시켜 새로운 나노약물전달체 (TFG)를 개발하였다. 또한, PC-Gla의 효율적인 생체이용율을 위해 염증조건에서 혈액으로 분비되는 MMP 절단 부위를 포함시켜 디자인함으로서 구형태의 나노약물전달체의 입체장해를 극복했다. (그림 1)
  ㅇ 제작한 나노약물전달체의 수용체 결합력이 야생형 PC-Gla와 유사하며, PAR-1의 활성도 저해되지 않고 생체 결합력이 우수한 약물을 제작하였다.  (그림 2)
  ㅇ 패혈증 쥐 모델에서 EPCR ligand (PC-Gla)와 PAR-1 activator (TRAP)를 투여했을 때보다 나노약물전달체 (TFG 또는 TFMG)를 투여했을 때 생존율이 증가된 것을 확인했다. 나노약물전달체가 패혈증으로 인한 장기 손상도 회복시켰다. (그림 3)

3. 기대효과
  ㅇ 본 연구결과는 나노약물전달체가 EPCR과 PAR-1을 활성화시켜 중증혈관 염증 질환인 패혈증, 중증 패혈증, 패혈 쇼크 등을 치료하는 방법으로 기존의 APC의 단점을 보완한 패혈증 치료 후보 약물을 개발했다.
  ㅇ 기존 APC의 경우 사용에 제약이 많고 반감기가 짧으며, 항응고 작용이라는 큰 부작용이 있고 그 효과가 미비하였다. TFMG는 APC의 부작용을 나타내는 부위를 제거한 Peptide와 TRAP을 표적 세포의 수용체까지 결합 가능한 나노약물전달체로 효율적으로 약물이 전달되도록 하는 기초기술을 통해 약물의 안전성과 생체 이용률을 증대시켜 패혈증 치료 효과가 우수할 것으로 기대된다.   
  ㅇ 본 연구에서 개발한 나노약물전달체처럼 특정 수용체만 작용하는 펩타이드를 표적 전달할 수 있는 페리틴에 결합시켜 최적의 약효를 나타내는 새로운 약물전달체를 설계할 수 있을 것으로 기대한다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

APC의 문제점이었던 항응고 효과, 짧은 반감기, 미비한 효능을 개선하기 위해 타겟 수용체인 EPCR과 PAR-1을 활성화시킬 수 있는 부위를 페리틴 중심으로 양쪽 말단에 결합시켜 나노약물전달체(PC-Gla –Ferritin-TRAP)를 만들어 패혈증 치료제 개발을 위해 시작함.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

혈관염증 관련 질병 치료제 및 패혈증 치료제로 혈관내피세포에 표적 전달하여 최적 약효를 나타내는 나노약물전달체 기술 개발함. 기존의 xigris® (Activated Protein C, APC)의 단점과 한계를 극복하기 위해 체내에서 철의 주요한 저장물질이며, 24개의 subunit이 자가조립으로 구형을 이루는 페리틴을 이용하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

연구를 진행하면서 각자의 전공분야가 다른 연구자들이 모여서 각자의 어려움이나 장애를 많은 토론 및 연구를 통해 해결함.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

1. 패혈증 치료제로 유일하게 FDA승인 받았던 Lilly사 Xigris (Activated Protein C)의 단점과 한계를 극복한 새로운 나노 약물전달체를 개발
2. 나노약물전달체는 혈관내피세포의 보호작용을 증가시킴으로서 항패혈증 효과를 규명

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

안정적이고 독성이 적은 새로운 패혈증 치료제 개발

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

본 연구결과를 Advanced Materials에 처음 투고하고 리뷰어가 세세한 실험을 요구했다. 저희가 만든 새로운 물질과 그 물질의 수용체간의 결합능력, 세포내에서의 발현 패턴 및 생쥐를 이용한 새로운 실험 등은 저널측에서 요구하는 시간 내에 수행하기에는 너무 많은 실험들이었다. 그래서 저희는 Chief Editor에게 revision기간 연장을 요구했었고 그것이 받아들여져서 reviewer들이 요구하는 실험을 완벽하게 수행을 한 결과 논문이 나올 수가 있었다.

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