염증부위 찾아가는 표적형 엑소좀 제안-염증성 대식세포 표적, 리프로그래밍으로 근본적 염증 완화 전략 제안

염증부위 찾아가는 표적형 엑소좀 제안-염증성 대식세포 표적, 리프로그래밍으로 근본적 염증 완화 전략 제안

 

등록일2021.06.07.

 

 

 

염증부위 찾아가는 표적형 엑소좀 제안 

염증성 대식세포 표적, 리프로그래밍으로 근본적 염증 완화 전략 제안 

 

  

□ 류마티스 관절염의 염증성 관절 부위를 찾아가 염증성 대식세포를 항염증성으로 바꿔주는 표적형 엑소좀이 소개됐다. 

 

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 박재형 교수(성균관대학교) 연구팀이 체내를 순환하면서 염증이 있는 관절부위에 선택적으로 축적된 후, 염증성 대식세포를 항염증 타입으로 재편하는 표적형 줄기세포 엑소좀을 제안했다고 밝혔다.

     ※ 염증성 대식세포: 염증을 유발하는 대식세포로 M1 대식세포라고도 불리며 류마티스 관절염의 악화에 주요한 원인을 제공.

 

□ 세포 밖으로 분비되는 작은 주머니, 엑소좀에는 DNA와 단백질은 물론 마이크로 RNA 등 여러 생체물질이 다량 함유되어 우리 몸의 다양한 생리현상에 관여한다. 

 ○ 특히 줄기세포 엑소좀은 염증성 대식세포를 항염증성으로 바꿔줄 수 있다고 알려졌지만 체내에서 빨리 분해되어 사라지는 데다 염증부위가 아닌 간에 주로 축적되어 효과가 제한적이었다. 

 

□ 이에 연구팀은 줄기세포 엑소좀이 염증이 있는 관절 부위를 표적할 수 있도록 표면개질을 시도했다. 

 ○ 염증부위에 존재하는 염증성 대식세포 표면에 많이 생성되는 수용체(SR-A 수용체)와 결합할 수 있는 덱스트란 설페이트가 줄기세포 엑소좀 표면에 도입될 수 있도록 한 것이다.

     ※ 덱스트란 설페이트: 설페이트기를 가지고 있는 덱스트란 기반의 다당류. 

 ○ 나아가 표적성 부여를 위한 당대사공학 및 생물직교성 무동 클릭화학 기반의 세포 표면개질이 엑소좀 내부의 생체물질에는 영향을 미치지 않았다는 설명이다.   

    ※ 당대사공학 : 화학 반응기를 세포 표면의 당 단백질에 도입할 수 있는 기술.

    ※ 생물직교성 무동 클릭화학 : 아지드(azide)기와 알킨(alkyne)기가 구리 촉매 없이 특이적으로 반응하는 현상

 

□ 실제 정맥주사를 통해 생쥐에 이렇게 만들어진 줄기세포 엑소좀을 투여하자 염증이 있는 부위에 엑소좀이 상대적으로 집중되어 축적되는 것을 광학영상장치를 통해 확인할 수 있었다.

 

□ 특히 염증부위에 표면개질 엑소좀이 축적된 생쥐의 경우 대조군에 비해 관절염 수치가 현저하게 낮아진 것으로 나타났다. 기존 엑소좀 대비 10분의 1 용량에도 비슷한 정도의 관절염 수치를 보였다.

 ○ 한편 연구팀은 이같은 엑소좀의 염증완화가 특정 마이크로 RNA (let-7b-5p 및 miR-24-3p) 때문임을 알아냈다. 

 

□ 당대사공학 및 클릭화학 기술로 엑소좀 고유기능에는 영향을 주지 않으면서 관절염 부위에 대한 표적 지향성을 부여한 이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구) 등의 지원으로 수행되었고 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 6월 2일 게재되었다. 

 

주요내용 설명

 

 <작성 : 성균관대학교 박재형 교수>

 

논문명

Metabolically engineered stem cell-derived exosomes to regulate macrophage heterogeneity in rheumatoid arthritis   

저널명 

SCIENCE ADVANCES

키워드 

엑소좀(Exosome), 당대사공학(Metabolic glycoengineering), 생물직교성 무동 클릭화학(Bioorthogonal copper-free click chemistry), 대식세포 (Macrophage), 류마티스 관절염(Rheumatoid arthritis)

저  자

박재형 교수 (교신저자/성균관대학교), 유동길 박사 (공동 제1저자/성균관대학교), 

임경택 석사 (공동 제1저자/성균관대학교), 권승리 박사 (공동저자/성균관대학교), 

엄우람 박사 (공동저자/성균관대학교), 오병훈 석사 (공동저자/성균관대학교), 송석호 박사과정 (공동저자/성균관대학교), 이정미 연구원 (공동저자/성균관대학교), 조동규 교수 (공동저자/성균관대학교), 조용우 교수 (공동저자/한양대학교)

 

 

1. 연구의 필요성

 ○ 류마티스 관절염은 관절부위에 통증, 부종, 변형을 초래하는 전형적 염증성 자가면역질환으로, 전 세계 인구 약 2.5%가 고통을 겪는 난치성 질환이다. 

 ○ 류마티스 관절염은 염증성 대식세포가 방출하는 염증성 사이토카인에 의해 악화된다. 따라서 염증성 사이토카인을 대표하는 종양괴사인자-알파(tumor necrosis factor(TNF)-α)를 저해하는 생물학제제가 치료제로 사용된다. 하지만 근본적인 치료를 위해서는 관절부위 염증성 대식세포의 자체 특성을 바꾸는 전략이 필요하다. 

 ○ 최근 줄기세포로 류마티스 관절염을 완화하는 치료법이 부각되고 있으나, 동종이식(allogeneic transplantation)된 줄기세포의 낮은 생존률과 면역원성에 의해 치료효율이 제한적인 것으로 알려져 있다. 

     ※ 면역원성: 면역반응을 일으킬 수 있는 항원으로 작용하는 성질 

 ○ 엑소좀(exosome)은 세포에서 분비되는 50-150 나노미터 크기의 세포외소포체로, miRNA, mRNA, DNA, 단백질 등을 다량 함유하여 우리 몸에서 일어나는 다양한 생리현상에 관여한다. 

 ○ 최근 줄기세포에서 유래된 엑소좀이 줄기세포의 기능을 대변한다는 사실이 보고되면서, 줄기세포 엑소좀을 이용한 난치성 질환 치료연구가 활발하다. 특히 줄기세포 엑소좀은 염증성 대식세포를 항염증성으로 리프로그래밍 할 수 있는 능력 때문에 류마티스 관절염을 포함한 다양한 염증성 자가면역질환과 관련하여 주목받고 있다. 

 ○ 그러나 줄기세포 엑소좀은 반감기가 짧고 전신 투여 시 주로 간에 축적되기 때문에 치료효능이 제한적으로 나타나는 문제가 있다. 따라서 특정 조직 및 세포에 대한 표적성이 부여된 엑소좀의 개발이 중요하다. 

 ○ 엑소좀에 표적성을 부여하기 위해 화학적 개질 또는 물리적 삽입법을 통해 표적물질을 도입하는 전략이 소개된 바 있으나, 복잡한 정제과정과 더불어 엑소좀 내부의 유효성분 소실을 수반하는 문제가 있다. 이에 엑소좀 고유기능에 손상을 주지 않으며 표적성을 부여할 수 있는 기술에 근거한 치료제의 개발이 필요한 실정이다. 

 

2. 연구내용 

 ○ 류마티스 관절염의 염증부위에 존재하는 염증성 대식세포를 표적하는 줄기세포 유래 엑소좀을 다음과 같이 제조하였다. 

    - 1단계: 당대사공학으로 줄기세포 표면에 아자이드기(azide group, -N3) 도입

    - 2단계: 클릭화학으로 아자이드기에 덱스트란 설페이트(dextran sulfate) 결합

    - 3단계: 표면개질된 줄기세포 배지 분리/정제로 개질된 엑소좀 획득

 ○ 표면개질된 엑소좀 획득 이후, 추가적인 정제과정을 필요로 하지 않기 떄문에 엑소좀이 가지는 내부 물질의 손실 및 안정성에 영향을 주지 않는다. 

 ○ 염증성 대식세포에 과발현된 SR-A 수용체를 표적하기 위해, 덱스트란 설페이트로 엑소좀의 표면을 개질하였다. 개질된 엑소좀은 기존 엑소좀과 유사한 크기 및 모양, 생산 수율, 표면 단백질량 등을 가진다. 특히 염증성 대식세포에서 항염증성 표현형으로 분극화에 주요한 역할을 하는 miRNA의 양이 엑소좀 개질 전후 차이가 없음을 small RNA 시퀀싱을 통해 입증하였다. 

     ※ 덱스트란 설페이트: 설페이트기를 가지고 있는 덱스트란 기반의 다당류. 

     ※ 대식세포 분극화: 대식세포가 주변 미세환경으로부터 자극받아 특정 표현형으로 전환되는 과정. 

 ○ 덱스트란 설페이트로 개질된 엑소좀이 염증성 대식세포에 특이적으로 흡수되는 거동을 세포실험으로 입증하였으며, 동물실험을 통해 류마티스 관절염 부위의 염증성 부위에 표적형 엑소좀이 특이적으로 축적됨을 확인하였다. 

 ○ 또한 표적형 엑소좀 표면의 덱스트란이 염증성 대식세포에 과발현된 SR-A 수용체와 특이적인 상호작용에 의해 염증성 부위에 축적되는 원리를 입증하였다.  

 ○ 염증성 대식세포 표적형 엑소좀은 대식세포에 흡수된 후 대식세포를 염증성에서 항염증성으로 분극화시켰다. 기존 엑소좀 대비 개질된 엑소좀에 의한 분극화 효율이 현저히 향상된 것을 확인하였다. 

 ○ 이와 더불어 개질된 엑소좀은 대식세포를 항염증상태로 유지시키는 기능이 탁월한 것으로 확인되었다. 이는 덱스트란 설페이트로 개질된 엑소좀이 류마티스 관절염의 예방 및 치료에 우수한 효과가 있을 수 있음을 의미한다. 

 ○ 또한 염증성 대식세포에서 항염증 대식세포로의 분극화에 엑소좀이 가지는 miRNA 중에서 let-7b-5p 및 miR-24-3p가 중요함을 입증하였다. 

 ○ 덱스트란 설페이트로 개질된 엑소좀은 다음과 같은 단계를 통해 류마티스 관절염의 염증성 미세환경을 재편한다. - 1단계: 염증성 부위에 축적, 염증성 대식세포를 항염증성으로 분극화- 2단계: 항염증성 대식세포로 상태 유지  - 3단계: 염증성 사이토카인 분비 감소 및 항염증성 사이토카인 분비 증가- 4단계: 활성화된 섬유아세포 및 활성화된 T세포의 활성도 감소- 5단계: 염증성 관절의 미세환경이 정상 관절 수준으로 재편 

 ○ 이러한 원리에 기반해서 개질된 엑소좀이 류마티스 관절염에 대해 우수한 효과를 갖는 것을 동물모델을 통해 보여주었다. 특히 기존 엑소좀의 용량을 10배 높여야 개질된 엑소좀과 유사한 효능이 나타나는 것을 확인하였다. 

 

3. 기대효과

 ○ 당대사공학 및 클릭화학을 통해서 엑소좀 표면을 개질하는 플랫폼 기술이 류마티스 관절염에서 다양한 난치성 질환으로 확대 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 엑소좀 기반 치료제 개발에서 원가절감의 효과까지 기대할 수 있을 것이다. 

 

그림 설명

 

 

 

 

 

(그림 1) 당대사공학 및 클릭화학 기반의 엑소좀 표면개질

염증성 대식세포를 표적할 수 있는 기능성 작용기(덱스트란 설페이트)를 세포 표면에 도입할 수 있도록 줄기세포를 개질. 이로부터 표면 개질된 엑소좀을 추출하였음. 엑소좀 표면개질 이후 추가 정제 과정이 필요 없음. 

 

그림설명 및 그림 제공: 성균관대 박재형 교수

 

 

 

 

 

(그림 2) 세포 및 생쥐모델에서 표면 개질된 엑소좀의 대식세포 분극화 및 류마티스 관절염 치료효능

A. 표면 개질된 표적형 엑소좀이 생쥐의 전신에 투여되면 류마티스 관절염 부위에 선택적으로 축적됨. 이후 개질된 엑소좀의 생리활성물질이 염증성 대식세포를 항염증성 대식세포로 분극화시켜, 전체적인 류마티스 관절염 부위의 미세환경을 조절함. 

B. 세포실험을 통한 대식세포 분극화 평가: 개질된 엑소좀은 효과적으로 염증성 대식 세포를 항염증성 대식세포로 분극화 시킴. 

C. 동물모델을 이용한 류마티스 관절염 치료효능 평가: 개질된 엑소좀이 투여된 생쥐는 기존 엑소좀에 비해 현저히 낮은 류마티스 관절염 수치를 나타냄. 특히 개질된 엑소좀은 10분의 1 용량으로 기존 엑소좀과 유사한 수준의 류마티스 관절염 수치 저하를 나타냄. 

그림설명 및 그림 제공: 성균관대 박재형 교수