각종 질병에 대한 면역치료제 및 백신 개발 용이해져
비장 수지상 세포의 활성을 위한 CpG 결합 지질 DNA 나노입자 (Modular delivery of CpG-incorporated lipid-DNA nanoparticles for spleen DC activation)
한국연구재단(이사장 조무제)은 곽민석 교수(부경대) 연구팀이 각종 질병의 면역치료제나 백신에 적용 가능한 면역활성 나노(직경 10nm DNA)입자를 개발하여, 특정 질병에 대응하는 면역 증강이 가능해졌음을 밝혔다.
수지상세포가 활성화되면 인체의 면역기능이 발동한다. 수지상세포는 외부 바이러스가 침입하거나 체내 종양 등이 발생했을 때, 내부의 항원을 인식하고 T-세포에 공격을 요청한다. 요청받은 T세포는 항원을 보유한 세포를 공격해 발병을 막는다.
* 항원 : 박테리아나 바이러스 표면에 있는 단백질로서, 신체의 면역반응을 일으키는 원인이다. 체내 항체(항원에 대항하기 위해 생성되는 단백질)에 반응한다.
그러나 암 항원이나 특정 바이러스 항원은 수지상 세포의 활성을 유도하지 못해 병이 발생한다. 이 경우 면역 활성제*를 투여하면 면역기능을 활성화시킬 수 있다.
* 면역 활성제 : 체내 면역을 활성시키는 물질. 암 항원과 같은 비면역응답 항원의 면역응답 유도에 사용된다.
하지만 주사제를 통한 면역 활성제는 비특이적 면역* 활성을 유발하면서 염증을 발생시킬 수 있다. 따라서 부작용을 유발하지 않으면서 항원 특이적** 면역 활성만을 유발시키는 차세대 면역치료제 개발이 시급했다.
* 비특이적 면역 : 인체의 1차적 방어형태. 침입 항원의 종류를 가리지 않고 반응한다. 기침, 위의 산성, 체온, 화학물질 등 생리적으로 외부 항원을 방어.
** 특이적 면역 : 인체의 2차적 방어형태. 항원인식에 의해 활성된 T, B세포가 항원 발현 병원균을 선택적으로 사멸시키는 작용.
곽민석 교수팀은 수지상세포 내부 수용체인 TLR-9*에 결합하는 CpG 올리고**를 사용한 DNA 나노입자(INP: immunostimulatory nanoparticles)를 개발했다. 공동 연구자인 푸단대 진준오 교수팀은 쥐 실험을 통해 나노 입자의 체내 면역력 증진 효과를 확인했다.
* TLR-9 : 수지상세포 내부에 존재하는 수용체. 비메틸화 CpG주제(motif)를 포함한 세균 및 바이러스 DNA를 인식하고, 말라리아원충에 의한 적혈구 대사물인 헤모조인(hemozoin)을 병원체로 인식
** CpG 올리고 : 면역 활성화를 증가시키는 면역증가물질. 박테리아나 바이러스로부터 유래된 특정 염기 서열 (CpG)을 갖는 올리고 핵산 (ODN)으로 면역세포 표면에 있는 TLR-9와 상호작용
형광 결합 나노입자의 체내 주사로 실험쥐 비장* 수지상세포에 효과적으로 나노입자가 전달되는 것을 확인하였고 수지상세포 활성 단백질 인자의 표면 발현과 염증성 사이토카인**의 생성을 증가하는 것도 확인하였다.
* 비장 : 왼쪽 신장과 횡경막 사이에 있는 장기. 혈액 속의 세균을 죽이고, 늙어서 기운이 없는 적혈구를 파괴한다.
** 사이토카인 : 신체의 방어체계를 제어하고 자극하는 신호물질로 사용되는 당단백질이며, 펩타이드 중 하나다.
나노입자는 지질 DNA*를 활용해 개발되어, 인체에 무해하며 체내에서 쉽게 분해된다. 제조가 수월하고 대량생산이 가능하며 염기서열 프로그래밍을 통해 스마트한 나노입자로 활용한다.
* 지질 DNA : 핵산염기에 지질 작용기(-C10H21)를 가진 DNA. 모든 생명체에서 생산하는 생체 고분자로 인체에 무해하고 효소 등에 의해 체내에서 분해가 쉽다.
CpG가 50%만 결합된 나노입자로도 비장 내 수지상 세포의 활성화를 충분히 유도함을 확인했다. 나머지 50%의 표면에는 특정 질병의 항원을 부착하여 특정 항원에 대응하는 면역 활성을 유도할 수 있다.
곽민석 교수는 “다양한 질병의 항원을 나노입자에 결합하여 질병에 특이적으로 작용하는 백신 및 면역 치료제의 개발에 적용할 수 있게 됐다”라며 “개발한 나노입자는 암처럼 면역활성 유도가 불가능한 질병의 백신과 면역치료제 개발에 적용할 수 있을 것이다”고 연구의 의의를 밝혔다.
한국연구재단 기본연구사업(교육부 소관사업)의 지원을 통해 거둔 이번 성과는 의료용 재료과학·생체소재 분야 랭킹 1위인 저명 학술‘바이오메터리얼스(Biomaterials)’에 11월 16일자로 게재되었다.
논문의 주요 내용
□ 논문명, 저자정보
- 논문명 : 비장 수지상 세포의 활성을 위한 CpG 결합 지질 DNA 나노입자 (Modular delivery of CpG-incorporated lipid-DNA nanoparticles for spleen DC activation)
- 저자 정보 : 진준오 (중국 푸단대 상하이 공공질환센터, 제1저자: 마우스 면역활성 실험 수행), 박해인 (부경대 화학과, 공동저자), 장웨이 (중국 푸단대 상하이 공공질환센터, 공동저자), J.W. de Vries (흐로닝언대 고분자화학과, 공동저자), A. Gruszka (흐로닝언대 고분자화학과, 공동저자), 이명원 (부경대 화학과, 공동저자), 안대로 (한국과학기술연구원, 공동저자), A. Herrmann (흐로닝언대 고분자화학과, 공동교신저자: 지질DNA 대량합성), 곽민석 (부경대 화학과, 교신저자: 나노입자 설계 및 제조)
□ 논문의 주요 내용
- 지질 DNA에 면역활성 물질인 CpG를 결합한 면역활성 나노입자(INP: immunostimulatory nanoparticles)의 개발로 쥐 체내 면역 활성을 효과적으로 유도한 연구로써, INP에 결합되는 CpG의 양을 조절함으로써 최적의 CpG 결합 양을 확인하였고 이로 성숙 수지상 세포의 표면 단백질 인자의 발현과 전구 사이토카인의 생성이 높게 나타나는 것으로 확인 하여 암 및 병원균 항원의 추가 결합에 따른 백신 및 면역 치료제 개발의 길을 열었다.
1. 연구의 필요성
면역활성제는 항원에 대한 면역 활성 유도에 도움이 되고 있지만 다른 염증질환을 유발하는 한계점이 있다.
2. 발견 원리
형광이 부착된 INP를 쥐 꼬리 혈관을 이용하여 주사하였고 INP가 효과적으로 비장 수지상 세포에 전달되는지를 확인하였다.
INP주사 24시간 후 비장을 분리하고 비장 내의 수지상 세포의 표면 단백질 발현 인자의 발현양상과 세포 내 전구 사이토카인의 발현을 유세포 분석기로 관찰하였다.
3. 연구 성과
INP의 혈관주사에 따른 비장 수지상 세포에 효과적인 항원 물질 전달과 수지상 세포의 성숙화를 유도할 수 있게 되었다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
암 또는 감염질환을 치료하기 위한 방법으로 우리 몸의 방어기작인 면역을 이용한 연구가 많이 진행되고 있다. 또한, 질병에 대한 면역 기작을 활성화하기 위하여 나노과학과 면역학의 교류가 활발하게 진행되고 있으나 효율적인 나노물질과 체내 면역 활성에 대한 연구에 많은 한계점을 가지 있어 이를 극복하기 위하여 면역활성 물질로 알려진 CpG를 이용하여 CpG가 결합된 지질 DNA를 만들었고 쥐 체내의 면역 작용을 관찰하였다.
2. 연구내용
지질 DNA를 이용한 미셀(micelle)의 제작으로 단일가닥 DNA를 표면에 노출시켰고 이 단일 가닥 DNA에 면역 활성물질인 CpG, 형광 또한 항원을 결합하여 다양한 연구에 적용하였다. 특히, CpG가 결합된 micelle (INP; 면역활성 나노입자)에 형광을 추가 결합하여 쥐 체내에서의 INP를 추적하였고 비장의 수지상 세포에 효과적으로 전달되는 것을 확인하였다. 또한, CpG가 50% 결합된 INP로도 비장 수지상 세포의 성숙화를 충분히 유도할 수 있는 것으로 확인되었다.
3. 기대효과
INP가 효과적으로 체내 비장 수지상 세포의 활성을 유도할 수 있다는 결과를 바탕으로, 다양한 질병의 항원을 INP에 결합하여 백신 및 면역 치료제로 개발이 가능할 것으로 생각된다. 특히, 암과 같이 항원만으로 면역 활성을 유도할 수 없는 질병에 적용함으로써 암의 치료와 항전이 그리고 암 백신으로 적용할 수 있다.
또한, 면역 치료에 있어 가장 큰 문제점이었던 비특이적 면역활성에 따른 염증질환을 최소화할 수 있을 것으로 생각된다.
나아가, 이미 잘 알려진 항원들을 응용하여 INP에 결합함으로서 유행성, 고위험 질환에 대해서도 효과적이고 빠르게 대응이 가능한 백신 및 면역 치료제가 개발 가능할 것으로 생각된다.
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
푸단대학의 진준오 박사님과 3여년 전부터 나노물질과 면역학이 융합된 다제간 연구에 대하여 많은 토의를 해 왔다. 나노과학을 이용한 많은 연구가 면역에 적용되고 있으나, 마우스 체내의 면역 활성에 대한 연구는 미진한 실정이었다. 이에 따라, 보다 효과적으로 체내 면역을 조절 할 수 있는 물질을 생각하던 중 활발히 연구가 되어진 TLR9 수용체에 작용하는 CpG를 적용하는 방법을 생각하게 되었다. CpG가 단일 가닥 DNA인 점에 착안하여 지질 DNA가 자기조립된 미셀에, 연장된 염기서열을 가진 CpG를 염기쌍 형성을 통하여 결합하여 면역활성 나노입자를 제조하는 방법을 개발하였다. 이렇듯 생산과 다른 분자의 도입이 용이한 새로운 물질이 면역을 효과적으로 활성할 수 있을 거라고 기대로 연구를 진행하였다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
본 연구는 부경대학교와 중국 푸단대학교에서 공동으로 진행한 연구로서 물질의 개발은 부경대학교에서 이루어졌고 그 기능 및 활성 시험은 푸단대학교에서 수행되었다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
본 연구는 국내 연구진에 의해 개발되어진 면역활성 나노입자를 중국 푸단대의 진준오 교수 연구팀에서 쥐 체내 면역활성을 확인한 연구이다. 이와 같이, 서로 다른 두 분야가 만나서 하나의 연구를 진행하다 보니 연구 계획과 결과 작성에 많은 시간이 필요하였다. 수차례의 회의와 유선 통화를 반복하면서 서로의 연구에 대한 이해도가 증가하고 서로 필요한 지식을 공유하며 본 연구 결과를 도출할 수 있었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
DNA는 그 자체가 생물에서 생산되는 생체고분자로 유전정보 저장 뿐만이 아니라 서열의 프로그래밍을 통하여 나노구조의 물질을 설계, 제조할 수 있다. 하지만 나노소재의 관점에서 면역치료나 백신에 복잡한 구조의 나노물질이 적용되기 어려운 이유는 각기 다른 서열의 많은 DNA 가닥들이 필요하기 때문이다. 본 연구팀은 단지 12개의 염기서열 만으로 나노구조체로 자기조립하는 물질을 합성하여 사용함으로써, 200마리 가까운 마우스 실험에 사용될 수 있는 많은 양의 면역활성 나노입자를 제조할 수 있었다.
면역학적 연구에 있어서 수지상 세포에 의한 면역 활성 단계는 보통 체외 분화 유도된 수지상 세포를 이용하여 확인한 후 체내에서는 확인되어지지 않는 경우가 많다. 백신 및 면역치료제에 있어 체내 수지상 세포의 활성은 매우 중요한 과정이기는 하지만 최종 질병 치료에 초점을 둔 나머지 수지상 세포가 중계하는 면역 조절은 잘 연구되지 않고 있다. 하지만 본 연구와 같이 수지상 세포가 면역활성 나노입자를 섭취하고 CpG에 의해 활성화 되는 것을 쥐 체내에서 관찰함으로서 다양한 항원의 조합으로 여러 질병을 타겟할 수 있는 물질을 개발 하였다. 이에 따라, 항원까지 도입한 면역치료 나노입자로 암 또는 감염질환의 치료를 관할 할 경우 우리 몸에서 나타나는 항원 특이적 면역 반응을 증명할 수 있고 항원 비특이적인 면역 반응을 최소화하여 염증질환으로부터 자유로운 새로운 개념의 면역 치료제를 개발 할 수 있는 계기가 될 것이다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
본 연구에서는 직접적인 질병의 치료가 아닌 면역활성을 통한 질병 치료에 대한 가능성을 연구하였다. 따라서, 앞으로의 목표는 본 나노입자 개발을 바탕으로 의한 항원 특이적 면역 반응을 마우스 체내에서 확인하고 다양한 항원을 이용하여 암 뿐만 아니라 감염질환의 백신 및 면역 치료제를 개발하여 사람에게 적용하는 것이다.
□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
제1저자인 진준오 교수와 교신저자인 곽민석 교수는 박사후 연구원 시절 하버드 의대에 각각 근무하였다. 미국에 체류하는 동안 종종 교류하며 나노과학과 면역학에 대한 서로 생소한 주제에 대하여 부단한 토론을 통해 아이디어와 접근방법을 도출하였다. 2013년 각자 소속한 중국 푸단대와 부산의 부경대에 임용되며, 아이디어를 실제 물질 합성과 동물실험을 통해 결실을 보게 되었다.
한편, 진준오 교수님의 아내분은 포탈사이트의 인기 웹툰 작가로, 미국 박사후 연구원 시절부터 현재의 중국 생활에 대한 웹툰(딩스뚱스)을 연재하고 있다.
그 림 설 명
그림 1. INP(면역활성 나노입자)를 이용한 쥐 체내 면역 활성 유도방법의 흐름도.
(a) 다양한 CpG농도에 따른 INP의 제조.
(b) 정맥 주사를 통한 비장 수지상 세포의 TLR9에 INP의 효과적인 전달.
(c) INP에 의한 비장 수지상 세포의 표면 활성 단백질 발현 및 전구 염증 사이토카인의 발현 증가.
그림2. 정맥주사를 통하여 쥐 체내 비장 수자상 세포에 INP가 효과적으로 전달 되었다.
(a) Alexa488 형광을 발현하는 세포의 분석. 비장 내 CD11c를 발현하는 세포가 Alexa488를 발현하는 것을 관찰하였다.
(b) INP를 포식하는 비장 수지상 세포의 평균 확인
(c) 비장 내 수지상 세포의 TLR9 발현과 INP의 위치 확인.
그림 3. INP 표면에 50%의 CpG결합으로 충분한 수지상 세포의 활성을 유도하였다.
(a) CpG결합 정도에 따른 비장 수지상 세포의 세포수 변화.
(b) CpG결합에 따른 수지상 세포 표면 활성 단백질의 발현 변화.
(c) INP에 의한 수지상 세포 내의 전구 염증 사이토카인의 발현.
그림 4. INP가 면역활성제를 가진 정사면체 DNA구조체에 비해 월등히 높은 수지상 세포 활성을 유도하였다.
(a) 비장 수지상 세포의 활성 표면 단백질발현 변화 관찰.
(b) 수지상 세포 내의 전구 염증 사이토카인의 발현 비교.
