[판교테크노밸리]파킨슨병의 신규 발병 기전 제시-노인성 뇌질환 예방 및 치료에 새로운 기초연구자료 제공

파킨슨병의 신규 발병 기전 제시-노인성 뇌질환 예방 및 치료에 새로운 기초연구자료 제공

 

등록일 2015-10-15

 

 

파킨슨병의 신규 발병 기전 제시

노인성 뇌질환 예방 및 치료에 새로운 기초연구자료 제공

 

◇ 김상룡 교수 팀, 자연과학 분야 권위 있는 학술지 ‘사이언티픽 리포트’에 논문 게재

◇ 파킨슨 병 등 노인성 뇌질환을 일으키는 뇌 염증의 기전 규명

 

□ 미래창조과학부(장관 최양희) 및 한국연구재단(이사장 정민근)은 국내 연구진이 혈액 응고에 관여하는 단백질인 프로트롬빈의 한 부분에 의해 뇌 염증 및 신경세포의 사멸이 유도되어 파킨슨병 등 노인성 뇌질환이 일어나는 기전을 규명했다고 밝혔다.

 

□ 경북대 김상룡 교수 연구팀 등은 내인성 뇌염증 인자를 찾는 연구를 교육부와 한국연구재단이 지원하는 이공학개인기초연구지원사업을 통해 수행하였으며, 연구결과는 자연과학분야의 권위 있는 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 온라인판 10월 6일자에 게재되었다.

 

 

o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

- 논문명 : Induction of microglial toll-like receptor 4 by prothrombin kringle-2: a potential pathogenic mechanism in Parkinson's disease

- 저자 정보 : 김상룡 교수(교신저자, 경북대), 신원호 선임연구원(제1저자, 안전성평가연구소)

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 

1. 연구의 필요성

○ 빨라지는 인구 고령화로 파킨슨병과 같은 노인성 뇌질환 환자가 크게 증가하고 있지만 발병 원인이 확실히 밝혀지지 않아 치료제 개발에 어려움을 겪고 있다.

- 다만 과도한 뇌염증이 노인성 뇌질환의 주요 원인임을 제시하는 연구결과들이 최근 전 세계적으로 보고되고 있어, 이와 관련한 연구가 활발히 진행되고 있다.

○ 기존 뇌염증 연구에 주로 사용하는 엘피에스(LPS)*는 뇌에는 존재하지 않는 박테리아 유래 물질이다. 그러므로 더욱 정확한 인체 뇌염증 연구를 위해서는 뇌에 실질적으로 존재하는 물질을 이용한 연구가 필수적이다.

*엘피에스(LPS:Lipopolysaccharide):지질 다당류, 박테리아 세포막의 외막을 구성하는 물질로 면역 반응을 실험할 때 사용한다

 

2. 발견 원리

○ 연구팀은 이전 논문을 통해 혈액 응고에 관여하는 프로트롬빈 단백질의 한 부분(프로트롬빈 크링글-2*)이 면역에 관여하는 뇌세포인 미세교세포(microglia)**를 활성화시켜 과도한 뇌염증을 유발하고, 그 결과 중뇌 흑질의 도파민 신경세포를 사멸시킨다는 사실을 규명하였다. 도파민 신경세포의 사멸 및 도파민의 감소는 파킨슨병의 대표적인 병증이다. * 프로트롬빈 크링글-2 (Prothrombin kringle-2) : 혈액 응고에 관여하는 프로트롬빈 단백질을 구성하는 도메인 중 하나

**미세교세포 : 뇌 내의 초기 면역 반응을 주관하는 비신경 세포

○ 이번 연구에서는 실제 파킨슨병을 앓은 환자의 사후 뇌 조직 흑질에서 톨유사수용체4(TLR4)와 프로트롬빈 크링글-2가 통계적으로 유의성이 있게 많이 발현됨을 최초로 확인하였으며, 특히 활성화된 미세교세포에서 많이 관찰되었다.

*톨유사수용체4(TLR4:Toll-like receptor 4) : 병원체를 인식하여 포식 세포가 병원체를 제거하고 염증반응을 일으키도록 하는 수용체

○ 톨유사수용체4가 결핍된 돌연변이 생쥐에서는 프로트롬빈 크링글-2에 의한 미세교세포의 활성이 덜 되면서 도파민 신경세포의 사멸이 확연히 감소함도 확인했다.

 

3. 연구 성과

○ 본 연구를 통해 프로트롬빈 크링글-2를 제어하여 톨유사수용체4의 발현을 조절함으로써 파킨슨병의 예방 및 치료에 기여할 수 있음을 제시하였다.

 

 

□ 김상룡 교수는 “이번 연구를 통하여 노인성 뇌질환과 관련된 초기 뇌염증 기전에 대한 신규 기초연구자료를 제공함으로써 노인성 뇌질환 예방 및 치료제 개발에 중요한 단초를 제공하였다”라고 연구의 의의를 밝혔다.

 

 

 

<참고자료> : 1. 연구결과 개요

2. 연구이야기

3. 용어설명

4. 그림설명

 

연 구 결 과 개 요

 

 

1. 연구배경

ㅇ 고령화 사회에 진입함에 따라 파킨슨병과 같은 노인성 뇌질환 환자의 발생이 크게 증가하고 있으나, 아직 발병 원인에 대해서는 여러 가설만 존재할 뿐 확실한 원인을 몰라서 여전히 실질적 치료제 개발에 큰 어려움을 겪고 있다. 그러나, 최근 발병 원인에 대한 가설들 중 과도한 뇌염증이 노인성 뇌질환의 주요 원인임을 제시하는 많은 연구결과들이 전세계적으로 도출 및 보고되고 있어서 이와 관련된 세부 기전 연구가 활발히 진행되고 있다.

ㅇ 뇌염증 연구와 관련하여 많은 연구팀에서 Lipopolysaccharide (LPS)를 이용하고 있으나 상기 물질은 실제로 뇌에는 존재하지 않는 박테리아 유래 물질로 실제 인체 뇌염증 연구를 위해서는 실질적 내인성 물질을 이용한 뇌염증 연구가 필수적이며, 특히 초기 뇌염증 시작과 관련된 내인성 물질의 발굴은 향후 파킨슨병 치료제 개발에 중요한 핵심인자로 사용이 될 수 있을 것이다.

ㅇ 이를 위해 본 연구진은 박테리아 유래 물질을 대신할 수 있는 내인성 뇌염증 유발 인자를 찾아 그 기전을 밝히고 나아가 생체 내에서 일어나는 뇌염증에 가장 유사한 동물 모델을 제작하여 파킨슨병 같은 노인성 뇌질환의 원인 규명 및 치료제 개발에 이바지하고자 본 연구를 시작했다.

ㅇ 본 연구진은 프로트롬빈을 구성하는 도메인 중 하나인 프로트롬빈 크링글-2 (prothrombin kringle-2)가 직접적 신경독성 없이 미세교세포 (microglia)의 활성을 유도하여 과도한 뇌염증을 유발하고 그 결과 중뇌 흑질의 도파민 신경세포 사멸을 일으킨다는 사실을 기존에 확인 및 보고 하였으며, 또한 프로트롬빈 크링글-2가 유도하는 뇌염증 제어는 도파민 신경세포 보호에 도움이 될 수 있음을 이전 논문을 통해 보고 하였다 (2010 J Neuro Res; 2014 Neuroreport). 이러한 결과들은 프로트롬빈 크링글-2가 유도하는 뇌염증 기전의 연구가 파킨슨병 제어에 핵심적인 단초를 제공할 것이라는 본 연구진의 가설에 힘을 실어준다. 선행연구결과들을 기반으로, 본 연구팀은 파킨슨병 환자의 사후 뇌조직 및 파킨슨병 모델에서 뇌염증과 관련된 프로트롬빈 크링글-2의 기능을 추가 검증하고 대표적 염증매개 수용체인 toll-like receptor 4 (TLR4)와 프로트롬빈 크링글-2의 관련성을 연구하고자 이번 연구를 수행하였다.

 

2. 연구내용

ㅇ 사람의 사후 뇌조직을 이용하여 파킨슨병 환자의 흑질을 비슷한 연령대의 정상 흑질 대조군과 비교 시 TLR4와 프로트롬빈 크링글-2의 발현이 현저하게 증가되어 있음을 본 연구진에서 처음으로 확인하였고, 이들의 과발현이 상당수의 활성화된 미세교세포에서 특이적으로 관찰됨을 확인하였다. 이러한 상기 물질들의 과발현 결과들은 파킨슨병에서 뚜렷하게 나타나는 미세교세포의 활성과 관련하여 TLR4와 프로트롬빈 크링글-2가 밀접하게 관련되어 있음을 암시하는 것이다.

ㅇ 임상 조직에서의 관찰 결과를 바탕으로 도파민 신경세포 및 도파민의 양적 감소로 대표되는 파킨슨병의 임상적 병증이 프로트롬빈 크링글-2를 처리한 동물모델에서도 유사하게 나타남을 확인하기 위해서 정상 쥐의 흑질에 프로트롬빈 크링글-2를 처리한 뒤 동일한 병증이 나타나는 것을 추가 검증하였고, 이어서 배양된 미세교세포와 정상 쥐 집단에 각각 프로트롬빈 크링글-2를 처리하면 미세교세포에서 TLR4 발현이 현저하게 증가된다는 사실도 확인하였다.

ㅇ 프로트롬빈 크링글-2에 의한 미세교세포 TLR4 발현 증가가 뇌염증 및 도파민 신경세포 사멸에 기여하고 있음을 추가 증명하기 위해서 TLR4가 결핍된 돌연변이 쥐에 프로트롬빈 크링글-2를 처리하였는데, 그 결과로 프로트롬빈 크링글-2를 처리한 정상 쥐에 비해 TLR4가 결핍된 돌연변이 쥐에서는 프로트롬빈 크링글-2에 의한 미세교세포 활성감소와 함께 신경독성 염증인자의 발현 감소 및 도파민 신경세포 사멸 역시 크게 줄어들었음을 확인하였다.

 

3. 기대효과

ㅇ 본 연구는 파킨슨병과 같은 노인성 뇌질환의 주요 원인으로 고려되는 과도한 뇌염증과 관련된 핵심 내인성 인자에 대한 검증 연구로서 프로트롬빈 크링글-2 처리를 통해 환자의 사후 뇌조직에서 관찰되는 형태들을 동물 모델에서도 재현할 수 있음을 처음으로 규명한 연구결과이므로 노인성 뇌질환에서의 뇌염증 제어와 관련된 연구에 많은 도움을 줄 수 있을 것이다.

ㅇ 신규 파킨슨병 동물 모델 확립을 위해서는 프로트롬빈 크링글-2가 유도한 뇌염증 및 도파민 신경세포 사멸이 파킨슨병의 행동양상까지 구현할 수 있는지에 관한 추가 연구가 절실히 필요하고 이와 관련된 추가 세부 기전연구 또한 함께 수행되어야 하겠으나 최종 연구결과들은 과도한 뇌염증으로 기인하는 노인성 뇌질환에 대한 예방 연구 및 신규 치료제 개발에 중요한 단초를 제공 할 수 있을 것으로 기대한다.

 

★ 연구 이야기 ★

 

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 

프로트롬빈 크링글-2는 혈액내에 존재하여 혈액 응고에 필요한 트롬빈의 전구체인데, 이전 논문으로 중뇌의 흑질에서 직접적 신경독성을 보이지 않고 미세교세포의 활성을 유도하여 과도한 뇌염증을 유발하여 신경세포의 사멸을 일으킨다는 사실을 보고했었다. 이런 선행연구결과를 기반으로 프로트롬빈 크링글-2가 파킨슨병 환자의 사후 뇌조직에서 발현이 증가되었는지와 프로트롬빈 크링글-2에 의한 뇌염증에 관련된 기전에 대한 궁금증을 가지게 되어 본 연구를 진행하였다.

 

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 

본 과제의 책임자인 경북대학교 김상룡 교수는 대학원생 시절부터 현재까지 퇴행성 뇌질환에 대한 연구를 10년 이상 꾸준히 수행하고 있다. 프로트롬빈 크링글-2가 뇌염증 반응을 일으켜 도파민 신경세포의 사멸을 유도한다는 연구는 김상룡 교수가 대학원생 시절 수행했던 내용인데 교수로 부임한 후 프로트롬빈 크링글-2의 뇌염증 유도 기전에 대한 후속 연구가 필수적이라고 판단하였다. Lipopolysaccharide(LPS)는 toll-like receptor 4(TLR4)에 작용하여 뇌염증을 일으키는 대표적 물질인데 그 기전이 내인성 물질인 프로트롬빈 크링글-2의 뇌염증 기전과 유사할 것이라는 가정하에 본 연구를 수행하게 되었다.

 

 

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

 

프로트롬빈 크링글-2의 뇌염증 유도 기전이 TLR4와 관련되어 있다는 것을 증명하고자 하였으나 여러 시험방법을 시도해보아도 관련성을 입증하기 어려웠다. 그러던 중 TLR4 결핍 생쥐를 서울대학교 치과대학 연구팀으로부터 제공받아 그 관련성을 입증하게 되었다.

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 

기존 많은 뇌염증 연구는 LPS를 이용하고 있으나 내인성 물질인 프로트롬빈 크링글-2가 뇌염증 유도 및 신경세포사멸에 관여하고 파킨슨병 환자의 사후 뇌조직에서 프로트롬빈 크링글-2의 증가를 관찰하므로써 파킨슨병을 일으키는 원인 물질이라는 것을 제안한 것이 특별한 성과로 볼 수 있다.

 

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

 

신규 파킨슨병 동물 모델 확립을 위해서는 프로트롬빈 크링글-2가 유도한 뇌염증 및 도파민 신경세포 사멸이 파킨슨병의 행동양상까지 구현할 수 있는지와 세부 기전에 대한 추가 연구가 이루어져야 하는데, 상기 연구진행을 통해 실질적 노인성 뇌질환의 예방 및 신규 치료제 개발에 일조하고 싶은 목표를 가지고 있다.

 

 

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

 

실제 파킨슨병 환자와 프로트롬빈 크링글-2의 연관성을 확인하기 위해 파킨슨병 환자의 조직이 필요하였으나, 국내에서는 파킨슨병 환자의 사후조직을 구할 수 가 없었다. 이에 호주의 뇌조직은행을 통해 기증된 파킨슨병 환자의 사후 조직을 구할 수 있었으며 해당 연구를 충실히 마무리 할 수 있었다.

 

 

용 어 설 명

 

 

1. 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 誌

○ 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 지는 생명과학분야 최상위 학술지인 Nature지의 자매지중 하나이며, 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 전세계 복합자연과학 분야 (Multidisciplinary sciences) 학술지 중 5위에 해당하는 영향지수 (impact factor 5.578)를 가지고 있다.

 

2. 파킨슨병

○ 노인성 뇌질환 중 알츠하이머 병 다음으로 가장 많은 환자가 있다. 대뇌 흑질에서 선조체에 이르는 도파민 신경세포의 사멸로 인해 신경전달물질인 도파민 생성에 문제가 생겨 발생하며, 느린 운동 , 정지시 떨림, 근육 강직, 굽은 자세 등과 같은 특징을 보이게 된다.

 

3. 뇌염증

○ 뇌에서 발생하는 염증 반응을 지칭하며, 다양한 기전에 의한 뇌 내 면역세포인 미세교세포의 활성을 통한 염증성 사이토카인의 분비로 신경세포의 사멸을 촉할 수 있다.

 

4. 프로트롬빈 크링글-2 (prothrombin kringle-2)

○ 혈액응고 반응에 주요 역할을 하는 트롬빈 단백질의 전구체, 프로트롬빈의 도메인 중 하나

 

5. 톨유사수용체4 (TLR4: Toll-like receptor 4)

○ 병원체를 인식하여 포식 세포가 병원체를 제거하고 염증반응을 일으키도록 하는 수용체

 

6. 미세교세포

○ 뇌 내의 초기 면역 반응을 주관하는 비신경 세포

 

 

그 림 설 명

 

 

 

 

그림 1. 파킨슨 병 환자의 사후 뇌 조직에서 프로트롬빈 크링글-2 발현 증가 .

파킨슨병 환자 (PD)와 비슷한 연령대 대조군 (CON)의 흑질을 확인하여 파킨슨병 환자의 뇌에서 도파민 신경세포 (갈색 화살표) 숫자가 줄어 있는 특징을 확인했고, 이들 조직에 서로 다른 두 가지의 프로트롬빈 크링글-2 항체 (a, b)를 이용한 염색 결과 파킨슨병 환자 (PD)의 조직에서 대조군 (CON)에 비해 프로트롬빈 크링글-2 (빨간색 화살표)의 발현이 증가했음을 확인하였다.

 

 

 

 

그림 2. TLR4 결핍 쥐에서 프로트롬빈 크링글-2 (pKr-2)의 신경세포 사멸 감소.

(a) 프로트롬빈 크링글-2는 파킨슨병의 증상인 흑질에서 선조체에 이르는 도파민 신경세포 시스템의 손실을 유발할 수 있다. 프로트롬빈 크링글-2의 신경독성 작용과 TLR4의 연관성을 확인하기 위해 정상 쥐 (WT)와 TLR4 결핍 (TLR4-/-) 쥐의 흑질 (SN)에 프로트롬빈 크링글-2를 주입하여 신경세포 사멸을 확인한 결과 TLR4 결핍 쥐는 정상 쥐에 비해 흑질 (SN)과 선조체 (STR)에서 도파민 신경세포 및 신경다발이 잘 보존되어 있음을 확인하였다. (b,c) TLR4 결핍 쥐에서 정상 쥐와 비교하여 프로트롬빈 크링글-2의 신경독성 작용으로부터 흑질의 도파민 신경세포 숫자 (b) 와 선조체의 도파민 신경세포 다발 (c) 이 보존되어 있음을 알 수 있었다. 파킨슨병과 관련된 주요 신경전달물질인 도파민 (DA)은 프로트롬빈 크링글-2에 의해 도파민 신경세포 시스템이 망가진 동물모델에서 감소됨을 확인하였고, TLR4 결핍 쥐에서는 이러한 도파민 양의 감소가 현저히 줄어들어 있음을 확인하였다 (d). 위 결과들은 프로트롬빈 크링글-2가 유도하는 신경독성 작용이 TLR4를 통해 일어남을 보여주고 있다.