바이오인

핵심내용

상세내용

연 구 결 과  개 요

논문명

Soft Matter DNA Nanoparticles Hybridized with CpG Motifs and Peptide Nucleic Acids Enable Immunological Treatment of Cancer

저  자

진준오 교수(제1저자/영남대학교), 김해주 박사과정(참여저자/부경대학교), 허양훈 박사 (참여저자/한국기초과학지원연구원), Andreas Herrmann 교수 (참여저자/RWTH아헨공대), 곽민석 교수(교신저자/부경대학교)

1. 연구의 필요성

○ 최근 암환자 자신의 면역 활성을 이용한 암 치료가 활발하게 연구되고 있다. 하지만 체내 면역을 활성 하는 것에만 초점이 맞춰줘 있어 염증과 같은 정상세포의 손상 등의 부작용이 동반되고 있다. 암 항원에 특이적인 면역 활성은 암 세포를 선택적으로 사멸할 수 있는 능력을 보유하여 염증 및 정상세포의 괴사와 같은 부작용을 최소화 할 수 있다. 나노소재과학은 이러한 항원 특이적 면역 활성을 유도하기 적합하지만 생체적합성이 높은 물질을 이용하는데 어려움이 있었다. 

○ 이에 따라, 생체 적합성이 우수하고 항원과 면역 증강제를 보유하여 체내 항원 특이적 면역 활성 유도로 부작용을 최소화 할 수 있는 새로운 소재의 면역치료제의 개발이 필요하다.  

 2. 연구내용 

○ 면역 세포중 수지상 세포는 병원균과 같은 외부 물질을 포식하고 이 물질의 단백질 성분을 세포 표면에 표지하여 T 세포에게 전달하고 이 T세포의 활성을 유도하는 세포이다. 

○ 본 연구에서는 DNA 염기쌍을 프로그래밍하여 DNA 이중나선을 형성 하도록 항원펩티드 및 CpG* 면역증강제를 약 10 nm의 작은 지질DNA 나노입자에 탑재하였다. 펩티드를 전달물질인 지질 DNA에 결합하기 위한 방법으로 펩티드-유사핵산 PNA (peptide uncleic acid) 기술을 적용하였고 항원펩티드와 면역증강제가 혼합된 신규물질을 면역치료핵산물질(INA; immunotherapeutic nucleic acid)라 명명하였다.  

  * CpG : 면역세포 내의 9번 관문수용체(TLR9, toll-like-receptor)와 결합하여 면역증강효과를 일으키는 단일가닥 DNA

○ 항원펩티드는 모델질병 항원인 오브알부민(OVA; ovalbumin)과 흑색종 (TRP2) 그리고 상피세포암종(AH1)의 특이적 짧은 아미노산 서열*을 이용하여 쥐의 체내 면역활성 연구와 항암 및 항전이 연구를 수행 하였다.

  * 이 연구에서는 특정 암들의 고유 아미노산 서열인 항원 펩티드들(8~10개 아미노산 서열)을 전달함.

○ T 세포의 활성은 수지상세포로부터 항원을 전달 받음과 동시에 활성화된 수지상세포가 발현하는 활성 보조인자에 의해 유도된다. 이로 T 세포는 항원에 대한 특이성을 가지게 되고 항원을 발현하는 병원균을 찾아 면역단백질인 사이토카인을 분비하거나 세포 독성을 나타내어 병원균을 제거한다.

○ INA는 오바알부민(Ovalbumin; OVA) 실험항원의 특이적 T 세포의 활성 및 사이토카인 발현을 유도하는 것으로 확인되었으며, 나아가 OVA 항원을 발현하는 암세포의 성장을 7배 저하시키는 것으로 나타났다.  

○ 간전이 쥐 모델에서도 INA를 투여한 쥐에서는 암 전이가 전무한 것으로 확인 되었다.

○ 나아가 실험항원이 아닌 흑색종과 상피세포암종에서 발현하는 항원 펩티드를 이용한 INA에서도 검은쥐의 흑색종과 흰쥐의 상피세포암종의 성장을 억제하는 것으로 관찰되었다. 

3. 연구성과/기대효과

○ 제조된 INA의 기본 구성물질은 핵산, 지질뉴클레오티드, 펩티드로 생명체를 구성하는 물질이므로 생체적합성이 확보되어 있다.

○ 암을 치료하기 위한 면역 치료법은 암세포에 특이적으로 반응할 수 있는 T 세포의 활성을 유도하는 것으로 암 성장의 억제뿐만 아니라 전이까지 막을 수 있을 것으로 기대하고 있다. 

○ 본 결과로 INA는 항원 특이적 면역 활성을 쥐 체내에서 유도할 수 있는 물질임을 증명하였고, 항암 및 항전이 효과가 뛰어난 물질임을 확인 할 수 있었다. 본 연구 결과로 암의 발병을 사전에 예방할 수 있는 암 백신까지 제조 할 수 있을 것으로 기대되며, INA 시스템을 박테리아나 바이러스에 의한 질병에도 응용하여 감염질환의 백신 및 치료제도 개발 가능할 것으로 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

선행연구에서 면역활성제인 CpG의 효과를 증가할 수 있는 지질DNA 나노구조체를 합성하여 우수한 연구성과를 얻었으나 암 치료에 적용하기 위해서는 더욱 발전된 형태가 필요하다고 생각하여 지속적인 논의 끝에 항원전달 면역치료 핵산 제형을 개발하였다. 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

항원 단백질이나 펩티드가 함유된 핵산 나노 구조체를 만들기 위해서는 항원을 핵산에 부착시키는 과정이 필요하였다. 헥시닐(핵산)-아자이드(펩티드)간의 클릭 반응(Click reaction)을 통해서 항원 펩티드를 핵산에 부착시키려 하였으나, 낮은 수율과 어려운 정제로 다른 방법을 도입하였다. 핵산을 구성하는 인산과 당 대신 펩티드 결합체들로 이루어진 유사핵산 PNA는 펩티드 결합으로 항원펩티드를 쉽게 부착시킬 수 있었으며, 기존의 DNA-DNA보다 안정한 DNA-PNA 나노 구조체를 형성할 수 있었다.

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

제 1저자인 진준오 교수는 중국 Fudan University에 재임 중일 때 본 연구를 진행하였으나 갑자기 영남대학교로 이직하게 되어 새로운 연구실에서 동물모델 연구를 이어나가기에 어려움이 많았다. 다행인 것은 Fudan University에서 INA 연구를 계속 진행할 수 있게 지원을 해주어 결국 잘 마무리 할 수 있게 되었다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이번 연구에서는 일반적인 백신의 조성물인 항원과 면역 증강제의 혼합 효과와 나노 구조체에 항원과 면역 증강제를 결합시킨 결과를 비교 분석함으로써 혼합 투여에 비해 나노 구조체를 이용한 방법이 항원 특이적 면역활성에 더 효과적이라는 결과를 도출하였다. 또한, 이러한 결과로 암의 성장 억제뿐만 아니라 전이도 막을 수 있는 것으로 나타나 나노바이오소재의 중요성을 한번 더 각인시킬 수 있는 연구였다. 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

이미 알려져 있는 암 항원을 대상으로 INA를 합성하는 것이 가능하고 이로 면역 암치료제 또는 암 백신으로 사용 가능할 것으로 기대 된다. 그뿐 아니라 바이러스나 박테리아의 항원 단백질을 이용한 INA를 개발하여 감염 질환에 대한 백신을 제조하는 것도 가능할 것이다. 임상 등의 먼 미래보다는 동물적용 백신과 같은 가까운 기간에 실용화를 이루기 위한 과제를 수주할 계획이다. 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

본 연구에서 개발한 INA는 기존의 항원, 면역증강제 혼합 백신 보다 항원 특이적 면역 활성이 높은 효율로 유도되었다. 이 결과를 바탕으로 다양한 질병에 대한 백신을 개발해 보았으면 한다. 특히, 신종 플루나 HIV와 같은 바이러스가 유발하는 질병에 적용 가능할 것으로 기대된다. 

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

공동연구 초기에 한-중 대외관계가 THAAD 같은 외교적 문제로 급랭되어 샘플을 국제우편으로 송부하지 못하는 예기치 않은 일이 생겨, 수 밀리리터 미만의 샘플을 전달하기 위해 연구원들이 비행기를 타고 상하이에 직접 오가는 경험들이 인상 깊다.

...................(계속)

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