암진단과 동시치료 유전자 시스템 개발

Detection of Increased 64Cu Uptake by Human Copper Transporter 1 Gene Overexpression Using PET with 64CuCl2 in Human Breast Cancer Xenograft Model

암 융합진료 가능해진다

미래창조과학부(장관 최양희)는 대표적인 의료 영상기기인 PET(양전자방출단층촬영)를 이용하여 암을 진단하면서, 동시에 암을 치료 할 수 있는 유전자 시스템을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.

한국원자력의학원 강주현, 김광일 박사팀이 미래부 방사선기술개발사업의 일환으로 수행한 이 연구는 해당 분야 최고 권위지인 미국 핵의학회저널(Journal of Nuclear Medicine)에 게재되었다.

*논문제목: Detection of Increased 64Cu Uptake by Human Copper Transporter 1 Gene Overexpression Using PET with 64CuCl2 in Human Breast Cancer Xenograft Model(온라인 8월4일자)

5mm미만의 작은 종양도 찾아낼 수 있어 암 조기진단에 널리 사용되어 온 PET(국내 연간 촬영건수 359,983건, 2013년 기준)는 방사성의약품을 주사한 후, 몸속에서 일어나는 생화학적 변화를 영상화한다.

정상세포보다 빨리 자라기 때문에 대사 작용이 활발히 일어나는 암세포의 특성을 이용, 암 세포 주변에 방사성의약품이 집중적으로 모이도록 하여 암의 위치와 크기 등을 진단한다.

강주현 박사팀이 개발한 ‘사람 구리수송체(hCTR1) 유전자 시스템'은 PET 촬영으로 암을 진단하면서 동시에 암을 치료하는 융합진료 가능성을 확인한 것으로, 방사성동위원소 구리-64를 이용하는 것이 특징이다.

암 융합 진료는 먼저 ‘사람 구리수송체(hCTR1) 유전자’를 이용한 유전자 치료를 통해 암 조직에 구리수송체를 과 발현시킨 후 구리-64를 정맥 주사하여 PET를 찍게 되면,

암 세포에 구리-64가 모여 암의 크기와 위치가 영상화되어 나타남과 동시에, 구리-64에서 배출되는 방사선으로 암 세포를 파괴하는 원리이다.

방사성동위원소 구리-64는 PET 영상을 얻는데 이용되는 양전자를 약 17% 방출하고, 암 치료에 이용될 수 있는 베타선을 약 39% 방출하는 붕괴특성이 있어 이러한 점에 착안하여 연구가 시행됐으며,

구리수송체 유전자를 조직에 발현시켜 영상화에 성공한 것은 세계적으로 처음이다.

*구리수송체는 생체 조절 보조인자인 구리 이온을 세포 내부로 들어가게 하는 대문으로, 세포 내 구리 이온이 적정한 수준을 유지하는 역할을 한다. 구리수송체 유전자는 구리수송체의단백질을 암호화한 유전자를 의미한다.

특히 구리-64는 PET 촬영용 방사성의약품에 널리 사용되어 온 불소-18과 탄소-11 등에 비해 7배 이상 긴 반감기를 가지고 있어, 핵의학 및 분자영상 연구에 매우 유용하게 이용될 전망이다.

*불소-18(F-18, 반감기 109분), 탄소-11(C-11, 반감기 20분), 구리-64(Cu-64, 반감기 약 720분)

**반감기가 길면 현재 국내에서 활발히 개발 중인 바이오의약품(재조합 DNA 기술을 응용하여 생산하는 의약품)의 체내 동태를 장시간 추적하는 영상연구가 가능하여 신약 개발 촉진이 기대된다.

강주현 박사는 “구리-64(Cu-64)가 암세포를 살상할 수 있는 능력도 보유하고 있어 영상진단과 치료를 동시에 수행할 수 있는 컨버전스 기능을 기대할 수 있다”고 내다봤다.

본 연구는 한국원자력의학원이 보유하고 있는 사이클로트론을 활용하여 구리-64를 비롯한 다양한 방사성동위원소를 생산, 정제하는 기술력을 바탕으로 수행되었다.

의학원은 국내 최초로 의료용 방사성동위원소 요오드-124(I-124) 및 구리-64(Cu-64)의 대량 국내 생산 기술을 확보하고 생산 허가를 취득하였으며,

전국적인 공급 시스템 구축을 통하여 서울대, 성균관대, 경북대를 포함한 국내 10여개 기관에 방사성동위원소를 지원함으로써, 국내 방사성의약품 연구 분야의 경쟁력 강화에 기여하고 있다.

강주현 박사팀은 이 같은 성과를 바탕으로 2015년부터는 난치성 암의 진단과 치료가 동시에 가능한 컨버전스 방사성의약품의 개발 및 임상 적용 등 실용화 연구를 본격 추진할 예정이다.

연 구 결 과 개 요

1. 연구배경

'분자영상'은 체내 유전자 발현, 생화학적 현상, 생물학적 변화 등을 영상화 하는 기법으로 최근 의학, 생명과학 연구에서 그 역할이 크게 증대되고 있다. 그 중 방사성동위원소를 이용하는 핵의학적 영상기법은 '방사선'의 특성에 기반한 높은 투과력과 예민도를 보일 뿐 아니라 단층 영상화 및 정량화가 가능하여 다른 분자영상법들에 비해 임상 적용이 용이하여 관련 연구도 활발히 진행되어왔다.

특히 유전자를 활용한 핵의학 영상기법이 최근 주목받고 있는데, 주로 '리포터 유전자'를 개발하여 진단에 적용하는 형태로 이루어진다. 핵의학 영상을 얻으려면 우선 특정 분자를 추적하는 방사성 추적자가 필요하고, 다음은 추적자의 위치를 촬영하는 영상기기가 있어야 하는 것이 기본인데, 유전자를 이용한 영상기법은 리포터 유전자에 의해 발현된 단백질을 추적하여 영상화하는 기법이다. 리포터 유전자란 유전자의 발현 여부를 검출하는 기능을 가진 유전자를 통칭하며, 리포터 유전자를 체내에 전달하면 세포 안에서 발현되어 리포터 단백질을 만든다. 이 단백질이 방사성의약품을 추적자로 하여 영상화하는 것이다. 리포터 유전자를 이용하면 질환의 위치나 정도 등을 영상을 통해 손쉽게 진단할 수 있는 장점이 있다.

그러나 몸속 세포 안에서는 다양한 유전자에 의해 복잡한 신호체계에 관여하는 많은 종류의 단백질이 만들어지고 있기 때문에, 현재까지 주로 이용되는 핵의학 리포터 유전자(HSV1-tk, D2R, hSSTR2)를 이용해 질병을 영상화하기 위해서는 각각의 유전자에 대한 방사성 추적자를 개발해야 하는 어려움이 있었다. 이에, 동일한 방사성 추적자를 다양한 유전자의 발현에 활용하는 방안의 모색이 요구되었다.

- 영상신호의 강도를 높일 수 있는 최적화 된 합성, 영상획득에 적합한 다양한 방사성동위원소들과의 새로운 표지법 개발, 보다 손쉽게 영상화가 가능한 새로운 리포터유전자 개발 등이 필요한 실정이다.

- Cu-64는 PET 영상획득에 이용되는 양전자가 약 17% 방출되고, 종양세포의 치료에 이용될 수 있는 베타선을 약 39% 방출하는 붕괴 특성을 가지고 있다. 또한, 기존의 다른 PET 추적자로 사용되던 F-18, C-11 등의 단반감기 방사성동위원소에 비하여 12.7 시간이라는 상대적으로 긴 반감기를 가지고 있어 다양한 시간 단계에서 영상연구에 활용될 수 있다.

- 현재 hCTR1 유전자를 리포터 유전자로서 세포나 조직에 전달하여 영상화를 시도한 바는 없으며, 최근 원자력의학원에서 Cu-64의 대량 생산에 성공하여 이의 활용도를 높이는 방안으로 Cu-64를 이용한 PET 영상리포터로서 hCTR1 유전자를 개발하게 되었다.

2. 연구내용

사람의 구리수송체 유전자를 클로닝(재조합), 렌티바이러스 발현 벡터를 제작 후 사람의 유방암 세포주에 발현 세포주를 구축함

- 구리수송체 발현 유방암 세포주의 시험관내 특성을 분석함

- 구리수송체 발현 유방암 세포주에서, 구리수송체 발현으로 항암제인 시스플라틴에 의한 항암효과가 더욱 높아짐을 확인함

구리수송체 발현 유방암 세포주를 이식한 종양 동물모델에서 Cu-64주사 후 소동물 PET 영상 획득과 영상기반 생체분포 평가

- 구리수송체 발현으로 PET 영상에서 48시간까지 뚜렷하게 영상진단이 가능했음.

- PET 영상기반 생체분포의 정량평가결과, 구리수송체 발현 유방암 세포주는 48시간까지 구리 섭취가 유지됨을 확인하였음.

3. 기대효과

사람 구리수송체(hCTR1) 유전자는 종양을 비롯한 다양한 세포(줄기세포 및 면역세포) 영상을 위한 PET 리포터 유전자로 적용 가능함.

사람 구리수송체 유전자 발현을 통하여 치료 효과가 있는 Cu-64를 섭취시킴으로써, 종양 특이적 치료에도 사용함으로써 진단 및 치료의 두 가지 목적을 달성할 수 있음.

주요 용어설명

1. 양전자방출단층촬영(PET: Positron Emission Tomography)

PET란 양전자 방출 핵종으로 표지된 방사성의약품을 인체에 투여한 후 인체 내에서 발생하는 방사능의 분포를 재구성하여 영상화하는 방법이다. 이 때 사용되는 방사성의약품은 인체가 필요로 하는 산소, 물, 포도당, 아미노산, 지방산, 핵산, 그리고 신경전달물질 등이다. PET검사를 통해 이들의 분포를 파악하여 살아있는 인체에서 일어나는 생화학적·생리적인 변화를 정량적으로 평가해 낼 수 있다. 주사된 방사성의약품은 체외의 카메라를 통하여 체내 분포를 영상화할 수 있어 인체의 대사가 영상으로 나타나는 원리이다. 특히 암의 경우, 형태의 변화 이전에 체내 대사 변화가 먼저 일어나므로 PET를 이용하면 암을 조기에 진단할 수 있다.

2. 구리-64(Cu-64)

Cu-64는 12.7 시간의 반감기를 가지는 PET용 금속성방사성동위원소로써 비교적 긴 반감기를 가지기 때문에, 생체 내에서 주로 긴 반감기를 나타내는 바이오의약품(펩타이드, 항체, 세포치료제 등)의 영상에 활용될 수 있다. 또한, 금속성 방사성동위원소이기 때문에 킬레이션에 의해 다양한 화합물에 표지가 가능하고, 매우 안정한 착물을 형성할 수 있다는 장점이 있다.

3. 구리수송체(hCTR1)

생명체에 필수 미량원소인 구리는 과하거나 모자라면 독성을 갖거나 치명적일 수 있어 세포에서 섭취, 배출, 분포 등이 엄격하게 조절되고 있다. 이때 세포내로 구리이온의 섭취를 담당하는 단백질이 구리수송체이며 반대로 세포외로 배출하는 단백질(ATP7A 또는 ATP7B)이 존재하며 기능적으로 균형을 이루고 있다.

4. 방사성의약품

방사성의약품은 난치성 질환의 치료효과를 크게 높일 수 있는 첨단 의료산업의 핵심요소로, 최근 암을 비롯한 난치성 질환의 진단과 치료를 위한 방사성의약품 시장 규모는 전세계적으로 급성장하고 있다. 하지만, 국내에는 방사성의약품 개발을 체계적으로 수행할 수 있는 전문연구기관과 집중연구체계가 미흡하여 선진국에 기술 종속이 우려되는 실정이다.

특히 의료용 가속기(사이클로트론)에서 생산된 방사성동위원소는 비(比)방사능이 높은 특징이 있다. 이를 이용한 방사성의약품은 화학적 독성이 거의 없어, 노약자 및 중증환자 치료에 적용이 가능하며, 치료 효과도 높다.

※ 비(比)방사능이란 특정 물질의 단위 질량당 방사능의 세기로서, 이 수치가 높을수록 적은 양의 방사능으로 높은 치료효과를 얻을 수 있음

그 림 설 명

* 구리수송체 리포터 유전자의 작동 원리