관절염 발생과 관절손상의 핵심 원인 규명- 류마티스 관절염 치료제 개발 및 완치가능성 열려

관절염 발생과 관절손상의 핵심 원인 규명- 류마티스 관절염 치료제 개발 및 완치가능성 열려

 

등록일 2016-12-08

 

관절염 발생과 관절손상의 핵심 원인 규명
 - 류마티스 관절염 치료제 개발 및 완치가능성 열려 -

 
        

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 “류마티스 관절염*을 일으키고, 관절을 오랫동안 손상시키는 핵심물질(MIF와 CD44)을 국내 연구진이 처음으로 발견했다”고 밝혔다.
*류마티스 관절염 : 관절의 뼈와 연골이 파괴되는 만성염증성 질환 

□ 류마티스 관절염 환자로부터 얻은 활막세포*가 만들어내는 대식세포 이동 저해인자(MIF)*와 이의 수용체(CD44)*가 관절염 발병과 지속의 핵심 원인이라는 사실이 밝혀졌다.
*활막세포 : 관절을 구성하는 기본세포로 정상에서는 관절을 지지하고 양분을 공급하는 이로운 기능을 담당하나 류마티스 관절염에서는 파괴적이고 공격적인 성질로 바뀜
*대식세포 이동 저해인자(MIF) : 면역 조절 물질로서 여러 세포에 발현한다고 알려져 있고 단핵세포/대식세포의 생존과 염증의 활성을 조절하는데 중요한 역할을 함 
*수용체 : 세포에 존재하며 세포 외의 물질을 선택적으로 인식하고 수용하는 물질을 의미하며, 세포는 수용체와 결합물질의 구조적인 특이성에 따라 자극을 세포내로 전달함  

□ 김완욱 교수 연구팀(가톨릭대)은 미래창조과학부(한국연구재단) 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 미국 예일대와 공동연구를 수행했으며, 국제학술지인 미국국립과학원회보(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) 11월 21일자에 게재되었다.
 o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
   - 논문명 : MIF allele-dependent regulation of the MIF coreceptor CD44 and role in rheumatoid arthritis
   - 저자 정보 : 김완욱 교수 (공동 교신저자, 가톨릭대) 유승아 박사 (제1저자, 가톨릭대), 리차트 뷰칼라(Richard Bucala)(공동교신저자, 예일대)

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 1. 연구의 필요성
   ○ 류마티스 관절염 (Rheumatoid arthritis)은 전 인구의 1% 내외에서 발생하는 만성염증성 질환으로 활막세포가 종양(암)과 같이 증식하여 뼈와 연골을 파괴하는 특징이 있다. 그러나 아직까지 왜 활막세포가 이러한 비정상적인 특징을 지니는지는 분명히 밝혀지지 않았다.

 2. 연구 내용
   ○ 한-미 공동연구를 통해 류마티스 환자의 활막세포가 MIF-CD44 엑시스(axis)*를 통해 자동적으로 활성화되고 스스로 공격성과 파괴성을 획득하여 결국 평생에 걸쳐 연속적으로 뼈와 연골을 파괴할 수 있음이 최초로 밝혀졌다.
       *MIF-CD44 엑시스(axis) : MIF가 세포에 결합하여 세포를 활성화시키기 위한 경로 중의 하나
  ○ 연구팀은 먼저 환자로부터 얻은 활막세포가 생성하는 대식세포 이동 저해인자 (MIF, Macrophage migration inhibotory factor)와 이의 수용체 (CD44)가 관절을 파괴하고 염증을 매개하는데 핵심적인 역할을 할 것이라 확인하였다. 특히 MIF의 대립유전자(MIF alleles)의 발현이 높은 환자의 경우 이러한 공격적인 성향이 보다 두드러지게 발생함을 보여 주었는데 이는 활막세포의 공격성이 유전적 형질에 영향을 받고 있음을 시사한다. 
  ○ 흥미롭게도 MIF라는 리간드*가 활막세포에 결합할 경우 CD44 수용체가 공격적인 타입으로 ‘스위치 온’이 되고 그 발현 역시 자동적으로 증가됨을 보여줌으로써 ‘활막세포 자동활성화’라는 새로운 병리현상을 제시하였으며, 류마티스 관절염 환자가 왜 평생 연속적으로 관절손상이 발생하는가에 대한 의학적 난제에 대한 중요한 해답을 제시하였다.
     *리간드 : 세포의 수용체에 결합하여 세포의 기능을 조절하는 단백질 
  ○ MIF는 활막세포의 부착력과 이동성을 현저히 증가시켰으며 또한 각종 염증매개물질의 생성을 증가시켰다. 반대로 그 수용체인 CD44의 유전자를 제거할 경우에는 MIF에 의한 활막세포의 부착력과 이동성이 현저히 줄어들었다. 이를 통해 활막세포의 관절파괴능력에 MIF-CD44 aixs가 결정적인 역할을 하고 있음을 증명하였다.

  ○ 연구팀은 이러한 ‘활막세포 자동활성화’ 현상을 누그러뜨릴 수 있는 치료법 역시 제시하였다. MIF의 선택적인 억제제로써 소분자 화합물인 MIF098*과 MIF020*을 처리할 경우 MIF-CD44 axis가 저해되어 활막세포의 공격성이 현저히 감소되었다. 이 결과는 MIF098과 MIF020 소분자 화합물이 앞으로 류마티스 관절염 환자의 치료제로써 특히 활막세포의 공격성과 파괴성을 억제하는 신규 약물로서 적용될 가능성을 보여준다. 
    *MIF098 : MIF를 특이적으로 억제하는 소분자 화합물
     *MIF020  : MIF를 특이적으로 억제하는 또 다른 소분자 화합물

 3. 연구 성과  
  ○ 이번 연구를 통해 류마티스 관절염 환자의 MIF와 이의 수용체 (CD44)의 상호작용 결과, ‘활막세포의 자동 활성화 메커니즘’이 증가되고 이를 통해 관절의 연속적인 파괴가 일어남을 증명하여 ‘왜 류마티스 관절염이 평생에 걸쳐 지속되는가?’라는 의학적 난제에 대한 해결의 실마리가 제공되었다. 또한 이 과정의 조절을 통해 류마티스 관절염의 새로운 치료약물의 가능성을 제시되었다.

  ○ 이러한 성과는 비 특이적인 면역치료제로 인한 여러 가지 부작용과 문제점을 극복하고, 공격성, 파괴성을 가진 활막세포만을 선택적이고 특이적으로 억제함으로써 류마티스 관절염의 치료 가능성을 열었다는데 중요한 의미가 있다.
 

□ 김완욱 교수는 “이 연구는 종양(암) 세포와 같이 비정상적으로 증식하고 강력한 침습성을 지닌 활막세포가 뼈와 연골을 파괴할 수 있는 핵심적인 메커니즘을 9년이라는 장기 연구를 통해 밝힌 것이다. 앞으로 류마티스 관절염의 완치를 향한 약물개발에 기여할 것으로 기대된다.” 라고 연구의 의의를 설명했다.

<참고자료> : 1. 연구결과 개요      2. 연구이야기 
             3. 용어설명           4. 그림설명 

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ류마티스 관절염은 국내 전체 인구의 1% 내외에서 발생하는 만성염증성 질환으로 관절의 활막세포가 종양 (암)처럼 증식해 뼈와 연골을 파괴하는 특징을 지닌다. 현재까지는 류마티스 치료제는 관절염의 증상을 완화시킬 수는 있으나, 이를 완치시킬 수 있는 약물은 아직 개발하지 못하고 있다. 이는“류마티스 관절염 환자가 왜 평생 연속적으로 관절손상이 발생하는가?”에 대한 의학적 난제에 아직 해답을 제시하지 못하였기 때문이다.

 2. 연구내용

  ㅇ연구자들은 류마티스 관절염이 평생 동안 지속되는 이유가 관절에서 정상적인 역할을 하던 활막세포가 공격성을 갖도록 전이되는 메커니즘이 아직까지 명확하지 않기 때문이라 가정하였다. 이에 이 연구에서는 환자로부터 얻은 활막세포가 자동적으로 활성화되고 스스로 공격성과 파괴성을 획득하여 결국 평생에 걸쳐 연속적으로 뼈와 연골을 파괴할 수 있는데 크게 기여하는 단백질과 이의 수용체를 선별하고 이에 대한 기능을 연구하였다.
 ㅇ류마티스 관절염의 병리는 활막의 비정상적인 성장과 염증세포의 침윤을 특징한다. 활막은 관절 뼈 주위를 둘러싸고 있는 조직으로 활액을 분비하며, 외부의 병원체나 충격으로부터 관절을 보호하는 기능을 하는데 류마티스 관절염이 활발히 진행되고 있는 환자의 활막은 정상인에 비해 부종과, 단핵구의 침투, 신생혈관의 생성 등 특징적으로 변화된 형태를 가지며, 이는 관절염의 임상적인 진행과 밀접하게 관련되어 있다.

 ㅇ 이 연구는 류마티스 관절염 환자로부터 얻은 활막세포가 생성하는 대식세포 이동 저해인자 (Macrophage migration inhibotory factor, MIF)와 이의 수용체 (CD44)가 관절을 파괴하고 염증을 매개하는데 핵심적인 역할을 할 것이라 확인하였다. 특히, MIF의 대립유전자 (MIF alleles)의  발현이 높은 환자의 경우 활막세포의 이러한 공격적인 성향이 증가되어져 있음을 확인하였는데 이는 활막세포의 공격성이 유전적 형질에 영향을 받고 있음을 알 수 있다.
 ㅇ MIF가 활막세포에 결합 할 경우 CD44 수용체가 공격적인 타입 (아형, CD44v3-v6)으로 바뀌고 CD44의 발현도 함께 증가됨을 보여줌으로써 활막세포의 활성을 조절하는 새로운 병리현상을 제시하였고, MIF가 류마티스 관절염의 발병과 관절손상을 오랫동안 유지하는 매개 물질임을 확인하였다.

 ㅇ 활막세포에 MIF를 처리하게 되면 세포의 부착력과 이동성이 현저히 증가되며, 그 수용체인 CD44의 유전자를 제거할 경우에는 MIF에 의한 부착력과 이동성이 현저히 줄어듦을 확인하였다. 이를 통해 활막세포의 관절파괴능력에 MIF-CD44 aixs가 결정적인 역할을 하고 있음을 증명하였다. 

3. 기대효과
 ㅇ 병든 류마티스 활막세포에 증가된 MIF와 이의 수용체인 CD44를 선택적으로 조절함으로써 류마티스 관절염의 완전관해가 가능할 것으로 기대된다. 치료제 개발을 통해 류마티스 관절염으로 인한 불구, 사망률의 감소, 사회적 비용의 감소가 기대된다.
 ㅇ 특히 관절염 환자에서 MIF 대립유전자 분석을 통해 공격성과 파괴성을 가진 활막세포를 지닌 환자를 선별해 낼 수 있고 이를 근거로 항 MIF 약물 (MIF098과 MIF020)을 투여하는 맞춤형 치료전략이 가능할 것으로 기대하고 있다. 

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

이 연구의 연구책임자인 김완욱 교수는 류마티스 내과를 전공하는 임상의사로서 지난 20여년 동안 관절염의 병인과 관련하여‘류마티스 관절염의 완전관해 치료법’을 목표로 꾸준히 연구를 진행하였다. 류마티스 관절염에서는  다양한 세포들에 의한 반복적인 염증반응의 결과로 관절내의 활막세포의 활성화와 더불어 비정상적인 성장 및 신생혈관 등으로 이루어진 판누스 구조를 형성한다. 장기간 질병을 겪으면서 활막조직은 다양한 성장인자, 싸이토카인과 같은 관절 손상 요인에 노출되게 되는데 이때 활막세포는 자발성을 획득하게 되고 자발성을 획득한 세포는 악성종양처럼 다른 관절로 이동하거나 연골을 침습하여 파괴하는 능력을 갖게 된다. 그러나 아직까지 활막세포가 공격적인 염증세포로 전환되는 기전이 불분명하고 이 세포가 다른 면역세포와의 상호작용에 대한 총체적인 이해가 부족한 실정 이였다. 이에“암과 같이 성장한 류마티스 관절염 환자의 활막세포가 자동 활성화 메커니즘을 통해 지속적이고 자동적으로 뼈와 연골을 파괴 한다”는 새로운 가설을 증명하고자 이 연구를 시작하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

연구팀은 환자로부터 얻은 활막세포에서 Macrophage migration inhibotory factor (MIF)와 이의 수용체 (CD44)가 발현하는지를 확인하고, MIF의 대립유전자 (MIF alleles)의 발현이 환자의 세포에 높게 발현함을 확인하면서 이는 활막세포의 공격성이 유전적 형질에 영향을 받고 있음을 예상할 수 있었다. 이에 MIF와 이의 수용체가 염증매개 물질들을 조절할 수 있는지 활막세포가 관절을 파괴하는데 중요한 기능인 세포의 침습성과 부착력에 영향을 줄 수 있는지 등을 여러 방법을 통해 증명하였다. 흥미롭게도 활막세포가 공격성과 파괴성을 획득하는데 있어‘MIF-CD44를 통한 세포의 자동활성화 메커니즘’과 더불어 CD44 수용체의 군집화 현상 (clustering) 이 필수적임을 알아내게 되었다. 또한 이 활성화 경로를 유전자 조작 혹은 소분자 약물투여를 억제할 수 있음을 보여줌으로써 그 기능을 최종적으로 확인하게 되었고 류마티스 관절염의 근본적인 치료제 개발 가능성을 보여 주었다. 

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

면역 조절 싸이토카인인 MIF가 류마티스 관절염 환자의 혈청이나 활막조직에서 증가되어져 있다는 보고를 토대로 이의 기능연구를 진행하였는데, 연구 초기에는 MIF가 활막세포에서 직접적으로 이의 수용체의 발현을 증가시키고 MIF의 발현을 저해시키면 이의 수용체의 발현도 조절 될 수 있다는 결과를 도출 할 수 있었다. 이는 MIF가 류마티스 관절염 환자의 활막세포의 활성에 영향을 줄 수 있다는 중요한 단서였는데 그 이후 특별한 연관성을 찾지 못하였고 세포 배양조건의 어려워 결과가 재현이 잘 안 되는 장애요소를 만나게 된다. 이에 굴하지 않고 실험과정의 문제점을 끈질기제 조사하여 이를 결국 극복하게 되었고‘활막세포 자동활성화’라는 흥미로운 현상을 찾아내어 연구를 보다 힘차게 추진해 나가게 되었다. 이 과정중에 MIF 단백질 연구의 세계적인 권위자인 미국 예일대 Dr. Bucala 교수와의 공동연구를 통해 ‘MIF-CD44를 통하 활막세포 자동활성화 메커니즘’을 조절할 수 있는 소분자의 약물인 MIF098과 MIF020를 실험에 도입함으로써 보다 폭넓고 심도 깊은 연구를 완성하게 된다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

ㅇ연구책임자는“류마티스 관절염이 왜 생길까?”라는 의학계의 오래된 숙제이자 난제에 대해 면역세포(예를 들어 림프구)의 비정상적인 활성화가 류마티스를 일으킨다는 기존의 오래된 개념과는 달리, 관절 보호 기능을 하던 활막세포 (Fibroblast-Like Synoviocytes)에 돌연변이가 생겨 종양세포처럼 변화하게 되고 이 세포가 주변 면역세포를 흥분시키기 때문에 류마티스가 발생, 고착화 된다는 새로운 ‘질병철학’을 도입하였다.
ㅇ 연구자는 다양한 면역 조절제 (예를 들어, TNF억제제)를 아무리 투여해도 류마티스를 완치시키지 못하고 약을 중단하면 병이 재발하는 이유가 병든 활막세포를 선택적으로 제거하는 방법이 없기 때문이라고 판단하였다. 최근 암 치료가 종양자체와 주변면역세포를 동시에 조절해야 성공적이라고 알려져 있듯이, 류마티스 관절염의 치료도 종양처럼 성장한 활막세포와 주변 면역세포를 동시에 제어해야 완치에 도달할 수 있을 것이라 판단하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

암과 같이 공격적으로 변한 활막세포를 제거하는 치료법이 없어 현재까지 류마티스 관절염의 증상을 완화시킬 수는 있으나, 이를 완치시킬 수 있는 약물은 아직 개발하지 못하고 있다. 앞으로의 연구를 통해 활막세포의 파괴적인 성질을 선택적으로 억제할 수 있는 치료제를 개발하고 이를 통해 관절염이 완전관해 되는 길이 열리기를 기대한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

이번 연구 성과는 2008년부터 2016년 10월까지 약 9년에 걸쳐서 진행된 연구의 결과이다. 연구 초기 1-2년 진행되다가 실험기법상 어려움이 있어 잠시 접어두었던 과정이 있었고, 결국 문제점을 극복하고 최종결과를 얻게 된 사례이다. 요즘은 모든 결과를 빨리 빨리 확인하고 좋은 실험기술로 화려하고 빠르게 증명할 수 있는 시대여서 이번 연구결과가 시대에 뒤떨어지는 내용이 아닌가 생각 할 수 있지만 다른 연구자들은 확인하거나 예측할 수 없는 어렵고 중요한 연구였다고 생각한다. 저희 연구자들에게 시간의 흐름과는 관계없이“과학적 사실은 사실로서 여전히 존재한다”는 점을 느끼게 해 주는 교훈을 주었다고 생각된다.

용 어 설 명

1. 류마티스 관절염 (Rheumatoid arthritis)
  ○ 관절의 뼈와 연골의 파괴되는 만성염증성 질환으로 활막세포가 암(cancer)과 같이 과도하게 증식하는 특징을 가진다.

2. 활막세포
  ○ 관절을 구성하는 기본세포로 정상에서는 관절을 지지하고 양분을 공급하는 이로운 기능을 담당하나 류마티스 관절염에서는 파괴적이고 공격적인 성질로 바뀐다.

3. 대식세포 이동 저해인자 (MIF, Macrophage migration inhibotory factor)
  ○ 면역 조절 물질로써 여러 세포에 발현한다고 알려져 있고 단핵세포/대식세포의 생존과 염증의 활성을 조절하는데 중요한 역할을 한다.

4. 대립 유전자 (allele)
  ○ 상동 염색체의 같은 위치에 존재하는 것으로, 하나의 형질 발현에 관여하는 한 쌍의 유전자를 말한다.

5. 수용체 (receptor)
 ○ 세포에 존재하며 세포 외의 물질을 선택적으로 인식하고 수용하는 물질을 말한다. 세포는 수용체와 결합물질의 구조적인 특이성에 따라 자극을 세포내로 전달한다.

그 림 설 명

                 

  (그림1) 류마티스 관절염 환자로부터 얻어진 활막세포에 MIF에 의한 이의 수용체인 CD44의 발현 증가 확인  활막 세포에서 CD44의 발현은 MIF 의존적임을 보여주는 그림이다. (A) 류마티스 활막 세포에 MIF로 24시간 배양 시 MIF 농도 의존적으로 CD44가 발현하였다. (B 와 C) IL-1β (Interleukin 1 beta : 인터루킨 1 베타)와 TNF (tumor necrosis factor : 종양괴사인자) 는 CD44를 유도시켰고 anti-MIF에 의해 MIF를 억제하면 이의 발현은 감소되었다. (D) 세포 표면에 CD44의 발현은 flow cytometry (유세포 분석기)로 측정하였다. (왼쪽) 류마티스 활막세포에 IL-1β (10 ng/mL) 또는 MIF (10 ng/mL)를 24시간동안 자극하였다. MIF (중간) 와 CD74 (오른쪽) 유전자가 결함된 마우스 활막 세포에서 CD44의 발현은 정상형 마우스에 비해 감소되어 있었다. (E) 활막 세포에 IFN-γ (Interferon gamma : 인터페론 γ) (10 ng/mL) 로 48시간 자극 시 CD74 (왼쪽)의 발현은 증가하나 와 CD44 (오른쪽)의 발현은 증가하지 않았다. 모든 data는 다른 3개의 활막 세포에서 3번의 실험을 통해 확인되었다.