조직재생 돕는 성장인자 안정적으로 전달할 수 있는 전달기술 개발로 재생의학 분야 기여 기대
국내 연구진이 성장인자*를 효과적으로 생체 내로 전달할 수 있는 새로운 작용기전의 원천기술을 개발했다. 분해되기 쉬운 성장인자의 안정적인 전달을 도와 성장인자를 이용한 조직재생이 필요한 악안면기형, 만성신장질환 같은 질환치료 연구에 기여할 것으로 기대된다.
* 성장인자(growth factor) : 세포의 성장, 증식 및 분화에 관여하는 단백질
연세대 치과대학 김희진, 육종인, 김남희 교수 연구진이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약) 및 서울시와 서울산업진흥원의 특허기술상품화 기술개발 지원사업 등의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 생체재료 분야 국제학술지 바이오머티리얼스(Biomaterials)지 온라인판 9월 15일자에 게재되었다.
* 논문제목 : A platform technique for growth factor delivery with novel mode of action
질병의 증상을 해소하거나 원인을 제거하는 방식과 달리 성장인자를 이용해 기능이 저하되거나 손상된 세포나 조직의 재생을 돕는 방식의 재생의학 연구가 활발하다.
하지만 잘 알려진 BMP2*, FGF와 같이 성장인자들은 세포 내에서 쉽게 분해, 고농도 투여가 필요해 실제 임상적용에 한계가 있었다.
* BMP2(Bone morphogenetic protein 2) : 뼈와 연골형성에 중요한 TGF-β계열의 성장인자
연구팀은 세포막을 통과하는 단백질 전달체*를 이용하여 전구약물** 형태의 성장인자를 융합시킨 후 세포 및 생체 내로 성장인자가 성공적으로 전달되는 것을 확인하였다.
전달체와 전구약물 형태의 성장인자가 결합된 조직재생 폴리펩타이드***는 성숙된 상태로 투여하는 기존 성장인자와 달리 비활성 상태로 제작하기 때문에 경제적이고 임상에서 취급이 용이할 것으로 기대된다.
* 단백질 전달체(Protein transduction domain, PTD) : 10-16개의 염기성 아미노산으로 된펩타이드로, 수용체와 결합에 의하지 않고 세포막을 통과해 세포 내에 축적되는 물질
** 전구약물(Prodrug) : 그 자신은 약물활성을 나타내지 않고 생채 내의 화학반응에 의해 성숙한 약물로 전환되어 활성을 나타내는 물질. 주로 특정 부위에서의 발현, 생체 흡수성, 부작용 등의 개선을 목적으로 설계됨.
*** 조직재생 폴리펩타이드 : 본 연구에서 개발한, 단백질 전달체와 전구약물 형태의 성장인자를 융합시켜 만든 펩타이드. 단백질 전달체에 전구약물을 적용한 예는 처음임.
실제 BMP2 전구약물을 적용한 조직재생 폴리펩타이드를 비글견에 투여하자 마이크로그램 단위로도 골재생이 유도되었다는 설명이다.
세포의 이동성을 조절하는 것으로 알려진 성장인자(BMP7*, DKK1**)도 효과적으로 생체 내로 전달되어 암세포의 이동과 침윤을 억제했다.
* BMP7 : TGF-β 신호에 의해 유도되는 상피간엽이행(Epithelial mesenchymal transition, EMT)을 역전시킴. 신장섬유증과 같은 만성신장질환에서 활용될 수 있음
** DKK1(Dickkopf-related protein 1) : 주요 암발생 신호전달인 Wnt 신호를 억제하는 역할을 하는 단백질.
연구진은 이 전달체가 다양한 성장인자에 적용될 경우 기존 수용성 성장인자의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
성장인자가 재생의학의 발전을 가져왔으나, 임상적으로 적용되기에는 효능과 부작용 사이의 상충되는 문제점이 있다. 현재 적용되는 성장인자 치료의 가장 큰 문제점은 생체 내 적용 시 초기에 폭발적 방출(initial burst release)이 일어나고, 혈류에 의해 세척(clearance)되며 효소작용에 의한 분해 작용이 일어나 반감기가 짧아지게 된다는 것이다.
따라서 원하는 효능을 얻기 위해 고용량을 적용하다 보면 부작용이 생길 수 있다. 이를 해결하기 위해 운반체(carrier) 개발에 대한 연구들이 집중되고 있지만, 수용성을 띠는 성장인자들로 인한 문제점은 여전히 남아 있다.
2. 연구내용
본 연구에서는 기존 성장인자 전달법과는 완전히 다른, 전구약물 (prodrug) 형태로의 성장인자를 전달하는 새로운 작용기전(novel MoA)의 성장인자 전달 원천기술을 개발하고 전구약물 형태로의 성장인자를 조직재생 폴리펩타이드(Tissue Regenerative Polypeptides, TRPs)라 명명하였다.
TRP는 세포막 수용체의 도움 없이 세포막을 투과할 수 있게 하는 PTD(protein transduction domain); 하나 이상의 프로프로테인 컨버타제(proprotein convertase)인 퓨린(Furin)에 의해 절단되어 단백질 활성을 유도하는 영역(furin activation domain, FAD); 성숙한 단백질로 전환되기 전 비활성 상태인 조직재생 영역(tissue regeneration domain, TRD)을 함유하고 있다.
이러한 TRP는 세포 내에서 자연적으로 만들어지는(endogenous) 단백질의 공정 과정을 그대로 따라 할 수 있게 제작되었기 때문에, PTD에 의해 세포 내로 전달되고 나면 퓨린에 의해 단백질 전구영역 (prodomain)과 성숙영역 (mature domain)이 분리되고 최종적으로 활성화된 형태의 성장인자가 분비된다.
TRP 기술에 BMP2를 적용한 PTD-BMP2의 생체 효능 실험에서 밀리그램(mg) 단위로도 골재생이 유도됨을 확인하였다. 같은 방법으로 TRP 기술에 transforming growth factor-β (TGF-β) 신호전달을 억제하는 BMP7와, Wnt 신호전달을 억제하는 DKK1을 적용하여 세포 및 생체 내에서 각각 TGF-β 신호전달과 Wnt 신호전달이 효과적으로 억제됨을 확인하였다.
3. 기대효과
TRP는 대량생산이 가능하고, 생체 투여 전에는 비활성 상태여서 기존에 성숙된 형태로 투여하는 성장인자 단백질 제작에 비해 생산비용이 수 십분의 일에 불과하고, 분리·정제가 용이할 뿐 아니라, 임상에서의 취급이 간단하고 편리하게 투약할 수 있는 있을 것이다.
PTD-BMP2의 TRP 기술은 치과, 정형외과 및 신경외과 영역 등에서 효율적인 골재생 유도 신의료기술로의 개발이 가능할 것이며, 본 연구에서 기존 재조합 BMP2 농도의 1/1000 이하에서도 골재생이 유도됨을 근거로 할 때, 고농도의 재조합 BMP2 적용에 의한 기존의 부작용을 현저히 줄일 수 있을 것으로 예상할 수 있다.
상피간엽이행 (Epithelial mesenchymal transition, EMT)은 각종 퇴행성 질환, 섬유화가 유발되는 만성 신장질환과 같은 염증성 질환 및 암의 원인을 설명하는 병리학적 기전이며, TGF-β 신호전달 및 Wnt 신호전달에 의해 유도된다.
PTD-BMP7 및 PTD-DKK1 등의 TRP 기술은 TGF-β 신호전달 및 Wnt 신호전달을 억제하여 EMT 관련 질환에 대한 치료술로의 개발이 가능할 것이다.
TRP 원천 기술은 이 밖의 다양한 성장인자에 적용이 가능하며, 기존의 수용성 성장인자의 한계를 극복하여 차세대 성장인자 전달 신의료기술로의 개발이 가능할 것이다.
연 구 결 과 문 답
> 이번 성과 뭐가 다른가
단백질 전달체(Protein transduction domain, PTD)를 이용하여 여러 물질을 세포 내로 전달하기 위한 시도가 있지만, 성숙된 단백질의 형태가 아닌 전구약물 (prodrug) 형태의 성장인자를 전달하고자 시도했던 전례는 없었음. 본 연구성과는 새로운 작용기전(novel MoA)의 성장인자 전달 원천기술로 다양한 성장인자 전달에 응용될 수 있음.
> 어디에 쓸 수 있나
조직재생 및 질환 치료를 위한 의료기술 개발의 기초자료로 활용기대
> 실용화까지 필요한 시간은
본 연구에서 중형동물 실험으로 생체 내 효능까지 확인한 BMP2 조직재생 폴리펩타이드의 실용화가 가장 빠를 것으로 예상되며, 전임상 및 임상 연구를 거쳐 5년 이내에 실용화가 가능할 것으로 기대함
> 실용화를 위한 과제는
본 연구의 원천기술을 적용한 신의료기술 개발 및 생체 내 기능적 타당성 (in vivo functional relevance) 확보
> 연구를 시작한 계기는
세포 내에서 이뤄지는 자연적인 단백질 공정(processing) 과정을 그대로 모방하고자 전구약물 (prodrug) 형태로 PTD 기반 단백질 유도체를 만들려는 발상의 전환
> 에피소드가 있다면
비글견(Beagle dog)은 우리 인체와는 달리 해면골이 거의 없어 신생골 형성을 낙관하기 어려웠음. 5주 후 골재생 정도를 분석하였을 때, 대조군에 비해 골결손부의 신생골 형성이 뛰어날 뿐 아니라, 특히 뼈막뼈형성 이 뛰어남을 알 수 있었음. 뼈막뼈형성이 필요한 미충족 의료 수요와 연관을 지어 BMP2 조직재생 폴리펩타이드을 적용할 임상치료법 개발 아이디어를 얻었음.
> 신진연구자를 위한 한마디
BMP2 조직재생 폴리펩타이드를 제작하고 세포 내 효능을 확인한 후, 생체 내 효능 확인 실험까지 7년이 걸렸습니다. 연구비 지원도 중요하지만, 그보다 중요한 일은 단단한 과학적 증거들을 확보해서 확신을 가지는 일이고, 실패가 있어도 포기하지 않는 일입니다.
용 어 설 명
1. 바이오머티리얼스지(Biomaterials)
- Elsevier에서 발행하는 생체재료 분야 국제학술지
2. 성장인자(growth factor)
- 세포의 성장, 증식 및 분화에 관여하는 단백질로서 종류에 따라 표적세포의 표면에 위치하는 특정 수용체(receptor)와 결합하여 세포의 신호전달 물질로 작용하는 물질
- 뼈세포 분화를 촉진하는 뼈형성단백질 (Bone morphogenetic proteins, BMPs)이나 혈관 분화를 촉진하는 섬유아세포증식인자 (Fibroblast growth factors, FGFs)와 혈관 내피 성장 인자 (Vascular endothelial growth factor, VEGF) 등이 대표적이다.
- 그 외에도 다양한 싸이토카인 및 호르몬이 성장인자에 해당한다.
3. 단백질 전달체(Protein transduction domain, PTD)
- 진핵세포(eukaryote)의 세포막은 소수성(hydrophobicity)을 띠어 수용성의 성장인자가 세포 내로 직접 이동하는 것은 거의 불가능하다.
- 통상 세포 내로의 신호전달은 신호전달물질인 리간드와 세포막에 위치한 수용체의 결합으로 시작되는 데 반해 PTD는 세포막 수용체와의 결합 없이 세포막을 직접 통과하기 때문에 PTD에 다양한 성장인자를 결합시켜 세포 내로 전달하는 것이 가능하다.
그 림 설 명
(왼쪽) 기존 재조합 BMP2는 BMP2 유전자를 CHO(Chinese hamster ovary) 세포에 도입하고 형질전환시켜 CHO 세포가 BMP2를 분비하면, 분비된 BMP2를 대규모의 세포 배지를 분리-정제-농축하여 성숙한 활성 단백질 상태의 BMP2를 생체 투여하는 방식
(오른쪽) BMP2를 적용한 조직재생 폴리펩타이드는 단백질 전달체(PTD)와 BMP2 전구약물(prodrug)으로 구성되어 있어, PTD에 의해 세포 내로 전달되고 나면 퓨린(Furin)에 의해 단백질 전구영역(prodomain)과 성숙영역(mature domain)이 분리되고 최종적으로 활성화된 형태의 BMP2가 분비됨.
(왼쪽) 비글견(beagle dog)의 장골(femur) 결손부에 BMP2를 적용한 조직재생 폴리펩타이드(2.5 ug)이 함유된 하이드로젤(HG)을 삽입하고 5주 후 신생골의 밀도를 추적하였을 때, 하이드로젤만 주입한 대조군에 비해 실험군은 골결손부의 우월한 골재생 소견을 보임.
(오른쪽) 신생골의 부피를 분석하였을 때, BMP2를 적용한 조직재생 폴리펩타이드와 하이드로젤을 주입한 실험군에서 대조군에 비해 통계적으로 우월한 신생골 부피의 증가를 보였음. 이는 시중에서 사용되고 있는 재조합 BMP2 농도의 1/1000 이하에 해당됨.
