숨은 장기 췌장에서 분비되는 엑소좀을 이용한 췌장암 진단 실마리 찾아-췌장암 표면에서의 비정상적인 당쇄화 포착할 수 있는 나노입자 개발

숨은 장기 췌장에서 분비되는 엑소좀을 이용한 췌장암 진단 실마리 찾아-췌장암 표면에서의 비정상적인 당쇄화 포착할 수 있는 나노입자 개발

 

등록일 2021.02.01.

 

숨은 장기 췌장에서 분비되는 엑소좀을 이용한
췌장암 진단 실마리 찾아
췌장암 표면에서의 비정상적인 당쇄화 포착할 수 있는 나노입자 개발

□ 국내 연구진이 정상세포보다 췌장암 표면에서 더 빈번하게 나타나는 당사슬을 이용해 췌장암을 진단하려는 방법을 제안했다.
○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 최종훈(중앙대학교), 김교범(동국대학교), 구형준(서울과기대) 교수 연구팀이 당사슬(glycan)과 결합하는 나노 입자와 이를 분석하기 위한 미세유체칩을 개발했다고 밝혔다.

□ 다른 장기들에 둘러싸인 췌장. 증상을 빨리 알아차리기 쉽지 않은데다 진단 이후에도 수술이나 치료가 쉽지 않은 만큼 조기진단이 특히 중요하다.
○ 세포에서 분비되는 작은 주머니, 엑소좀은 이중막 구조인 세포막 성분을 그대로 가져 안정적인데다 혈액을 따라 체내를 순환 하기에 질병진단을 위한 바이오마커로 유리하다.

□ 세포표면의 특이적 인자를 검출하기 위해 세포표면의 구성성분을 그대로 가지고 분비되는 엑소좀을 이용하려는 시도는 있었지만, 대부분 엑소좀 유래 인자 또는 암세포 유래 항원에 특이적으로 결합하는 항체를 이용하였다. 하지만, 암세포 분비 엑소좀을 항체를 이용해 검출하려면 꾸준한 암 특이적 인자의 발굴과 이의 일정한 발현 확인에 어려움이 있었다.

□ 연구팀은 마치 항체처럼, 구조적으로 당사슬과 잘 결합할 수 있는 단백질(Lectin)로 둘러싸인 나노입자를 설계하여 당사슬이 있는 엑소좀을 효과적으로 포획할 수 있도록 했다.
○ 췌장암 환자의 혈액을 떨어뜨릴 경우 나노입자에 포획되는 엑소좀의 농도가 상대적으로 높은 것을 이용하는 원리다. 포획된 엑소좀의 농도를 정확하게 측정할 수 있는 미세유체칩도 설계했다.

□ 나아가 실제 췌장암 환자의 혈액으로부터 분리한 혈장, 그리고 혈장으로부터 분리된 엑소좀을 각각 도입하여 췌장암과 엑소좀 포집농도와의 상관관계를 검증하였다.

□ 항체와 항원 결합에 견줄 만큼 견고하고 특이적으로 결합할 수 있는 렉틴을 활용한 나노입자로 췌장암 여부 뿐 아니라 전이성 췌장암인지 여부까지 식별할 수 있다는 설명이다.
○ 기존 암 특이적 표지 항체를 이용한 엑소좀 포획의 단점인 환자 간 특정 항원 발현차이를 극복할 수 있는 실마리를 제공할 수 있는데다, 암의 특성에 대한 정보도 얻을 수 있다는 것이다.

□ 연구팀은 당사슬 결합 효율 향상은 물론 암진단 평가기준 마련을 위한 후속연구를 지속할 계획이다.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노소재기술개발 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 '바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)'에 1월 6일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 중앙대학교 최종훈 교수>

논문명
Exosome-mediated diagnosis of pancreatic cancer using lectin-conjugated nanoparticles bound to selective glycans
저널명
Biosensors and Bioelectronics
키워드
Exosome; Glycan; Lectin; Janus nanoparticles; Pancreatic cancer
DOI
10.1016/j.bios.2021.112980
저 자
최종훈 교수(교신저자/중앙대학교), 김교범 교수(교신저자/동국대학교), 구형준 교수(서울과학기술대학교), 최용현(제1저자/중앙대학교), 박의선(제1저자/아지노모토-제넥신)

1. 연구의 필요성
○ 췌장암은 세계적으로 14번째로 다발하는 암이다. 5년 생존율이 5% 미만이고, 6개월 이내 진단된 환자의 반 이상이 사망하는 등 예후가 매우 불량한데다 진단도 어려운 질환으로 알려져 있다.
○ 사망률이 높은 것은 췌장암의 경우 자각증상이 없어 초기 진단이 어려울 뿐만 아니라, 장기 특성상 다른 장기에 가려져 있어 초음파나 CT 촬영 등을 이용하여도 관측이 용이하지 않기 때문이다.
○ 또한 췌장암은 기존의 화학요법적 치료에 대하여 강한 내성을 가지고 있는 경우가 대부분이고, 외과적인 수술로 제거하기가 쉽지 않아 암 발병 후 초반에 진단이 되지 않으면 치료가 쉽지 않은 탓에 인류가 정복하지 못한 난치병의 대표로 자리매김 하고 있다.
○ 췌장암에 대한 표적 치료 및 진단을 위하여 분자적 특징을 규명 하려는 연구가 다수 시도되고 있지만, 암세포는 이형성(heterogeneity) 으로 자라기 때문에 췌장암을 비롯한 암의 분자적 특징을 명확하게 규명하기는 어려운 실정이다. 따라서 췌장암 뿐 아니라 암의 조기 진단을 위한 암 특이적인 바이오마커 발굴과 이를 이용한 진단연구가 다방면으로 시도되고 있다.

2. 연구내용
○ 암의 발병에 따라 특정 당쇄(glycan)가 과발현되어 세포 표면 또는 분비 되는 단백질에서 여럿 존재하는 것이 보고된 바 있다. 이에 연구팀은 암세포에서의 이같은 비정상적 당쇄화(glycosylation) 과정을 표지인자로 활용하고자 하였다.
○ 세포 유래 분비물 중 하나인 엑소좀(exosome) 표면의 당을 매개로 엑소좀을 포획함으로써 보다 효율적이고 정확한 췌장암 진단의 실마리를 찾고자 하였다.
○ 엑소좀을 선택적으로 포집하기 위해 특정 당쇄에 결합 반응이 유도 되는 나노입자를 개발하였다. 두 가지 물리-화학적 특징을 지나는 나노입자인 야누스 나노입자(Janus nanoparticle)을 합성하였다. 구형으로, 고분자로 이뤄진 영역과 금속으로 이뤄진 영역이 대칭을 이루고 있다. 더 나아가 합성된 나노입자에 당쇄 선택적 결합기능이 있는 단백질인 렉틴(Lectin) 단백질을 나노입자의 특정 영역에 결합, 나노 입자의 당쇄 특이적 반응 통제를 확인하였다.
○ 나아가 당쇄 반응성 나노입자를 이용하여 췌장암으로부터 유래된 엑소좀을 이의 표면 당쇄를 매개로 하여 포집하는데 성공하였다.
○ 또한 엑소좀이 포집된 나노입자의 분석을 위한 미세유체채널을 제작 하여 다양한 췌장암 세포와 췌장암 환자의 혈액으로부터 유래된 샘플 로부터 엑소좀을 포집 후 이미징 분석을 통해 엑소좀 검출을 통한 암 진단 기술의 가능성을 확인하였다.

3. 연구성과/기대효과
○ 생체 내 환경에서의 췌장암 분비 엑소좀 검출 한계점을 극복하기 위한 새로운 방안을 제시하고 확립함으로써 췌장암 조기진단 센서의 실마리를 제공하였다.
○ 엑소좀 나노하이브리드 센싱 기술은 진단 목적 뿐 아니라, 추후 신약 개발, 안전성 검증, BNT 전반 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대 된다.

그림 설명

 

 

(그림) 당쇄 반응성 나노입자를 통한 췌장암 엑소좀 포획 및 분석 시스템 모식도
췌장암으로부터 분비된 엑소좀을 엑소좀 표면 당쇄를 매개로 하여 당쇄반응성 나노입자를 통해 포획한다. 포획된 엑소좀은 제작된 미세유체채널에 적용 후 이미징 분석을 통해 포집양을 분석하고 췌장암의 유무와 포획 엑소좀 농도 차이의 상관간계를 분석하여 췌장암 진단을 수행 할 수 있다.
그림 설명 및 그림 출처 : 나노의학 연구실 (Nanomedicine Lab, http://nml.creatorlink.net/)

 

연구 이야기

<작성 : 중앙대학교 박사과정 최용현>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

췌장암의 높은 사망률과 낮은 조기진단율의 특성으로 학계 및 산업 분야에서 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이에 본 공동연구팀은 췌장암의 생물학적 정보를 지니고 있는 췌장암세포 유래 엑소좀 도입을 통한 당쇄표적지향 암진단법을 고안하였으며, 인체 유래 혈액시료를 적용하여 빠르고 간편한 진단법을 제시하고자 연구를 수행하였습니다.

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

본 연구는 나노, 바이오, 화학, 엔지니어링 등 복수의 학문이 연구에 집약되어 수행되었습니다. 각 학문의 특정요소가 집약되다 보니 기술의 조건 최적화에 어려움이 있었습니다. 다행히도 공동연구진과의 활발한 교류와 연구토의를 거쳐 수월하게 합의점을 찾아 낼 수 있었으며, 본 연구를 원활히 수행할 수 있었습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 진단 기술은 암세포의 특정 발현 인자 검출에 초점을 맞추어 진행되어 왔습니다. 하지만 암세포는 이형성 성장 특성을 지니고 있기 때문에, 같은 질병이라 할 지 라도 인종, 연령, 성별, 병기 등 다양한 요소에 의해 차이가 발생할 뿐더러 암의 분자적인 특성을 규명하는데 있어 어려움이 많습니다. 이에 본 공동연구진은 암의 발병과 밀접한 당쇄화 현상과 이의 검출에 초점을 맞춘 분석법을 고안하였으며, 암세포가 분비하는 엑소좀의 특정 당쇄를 표적으로 하여 엑소좀을 검출함으로서 암 진단 및 예후를 평가할 수 있는 플랫폼을 개발하였습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

개발된 당쇄 반응성 나노입자 및 미세유체칩은 차세대 개인맞춤형 진단기술을 위한 나노-하이브리드 소재 기반 고기능성 바이오센서시스템의 개발을 위한 초석이 될 수 있으며, 여러 종류의 다양한 엑소좀을 동시에 고감도 정량적 분석을 해야 하는 맞춤형 질병 진단기술 개발에 도움이 될 것으로 기대됩니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

본 연구를 통해 당쇄화 인자가 암 진단에 있어 강력한 요소가 될 수 있음을 확인하였습니다. 하지만 아직 후속연구가 필요하며, 당쇄 결합 효율 증진과 엑소좀 검출 통한 암진단 평가기준안 마련에 대해 연구가 진행되고 있습니다. 특히 다른 질병의 요인으로 당쇄와 엑소좀 분석에 상호간섭이 일어나기도 하는데, 이러한 진단의 오류를 가져올 수 있는 부분에 대해 체계적인 분석법과 지표를 고안해 보고 싶습니다.