방사선 치료 내성 예측 분자진단 기술 개발
미래창조과학부(장관 최양희)는 방사선을 쪼여도 잘 죽지 않는 후두암의 방사선 치료효율을 높일 수 있도록 치료효과를 미리 예측할 수 있는 분자진단* 기술을 개발했다고 밝혔다.
* 분자진단 : 기존 현미경 수준의 단순 세포진단은 방사선 치료에 내성을 갖는 환자를 진단할 수 없어, 최근 분자수준에서 정확하게 치료효과를 예측할 수 있는 분자진단 기술이 많이 연구되고 있음
후두암은 흡연자에게서 많이 발생하는 암으로 후두의 발성기능 보호를 위해 방사선 치료가 주로 시행되며, 일부 환자들의 경우 방사선 치료가 잘 듣지 않아 치료효과에 한계가 있어 왔다.
한국원자력의학원(원장 조철구) 김재성 박사팀은 종양 발생과 관련이 있는 특정 결합 단백질(ERp57*-STAT3**)이 후두암 환자 암세포에 많이 나타나 있으면 방사선에 대한 내성이 강하다는 것을 규명하였다.
연구팀은 ‘소포체 스트레스 단백질(ERp57)’이 방사선 치료 시 내성에 관여하는 ‘암핵심 전사인자 단백질(STAT3)’의 활성을 증가시켜 암치료 효율을 떨어뜨린다는 사실을 밝혔다.
* 소포체 스트레스 단백질(ERp57): 외부 스트레스 자극에 반응하는 단백질로서 종양발생과 관련 있는 것으로 추정됨
** 암핵심 전사인자 단백질(STAT3) : 암세포 형성에 핵심이 되는 단백질로서 항암치료 시 내성을 증가시킴
연구팀은 이 과정에서 ‘단백질 중합효소 연쇄반응 기법(단백질 PCR기법)’이라는 새로운 방법을 활용하여 간편하게 후두암 환자 암세포에서 종양 발생과 관련이 있는 특정결합 단백질(ERp57-STAT3)의 발현을 확인할 수 있는 기술을 개발했다.
‘단백질 중합효소 연쇄반응 기법(단백질 PCR기법)’은 항원과 반응하면 붉은 색을 띠도록 항체 단백질을 특수처리*하여 종양 발생과 관련이 있는 특정결합 항원 단백질(ERp57-STAT3)의 존재여부를 시각적으로 쉽게 확인할 수 있는 기법이다.
* 특수처리 : 항원인 ERp57-STAT3 단백질과의 반응을 쉽게 알아보기 위해 항체에 인공적으로 제작된 DNA(ERp57-STAT3 단백질과 반응 시 붉은 발색)를 첨부한 것임
※ 항원항체 반응 : 항체가 결합부위에 적합한 구조를 가진 항원과만 결합하는 특이성
실제로, 연구진은 후두암 환자군(106사례)에 대해 ‘단백질 중합효소 연쇄반응 기법(단백질 PCR기법)’을 시행하여 종양 발생과 관련이 있는 특정 단백질(ERp57-STAT3) 결합이 높은 환자군의 방사선 치료 예후가 좋지 못함을 확인하였다.
이번 연구는 미래창조과학부에서 지원하는 ‘방사선암원천연구활성화사업’ 및 ‘방사선기술개발사업’의 일환으로 수행되었고, 연구결과는 2014년 10월에 국내특허* 출원을 완료하였고 국제특허(미국)로도 출원할 예정이며, 국제 암 생물학 학술지 온코타깃**(Oncotarget, 논문피인용지수=6.63) 2015년 1월호에 게재되었다.
* 특허명칭 : 후두암 또는 후두암의 방사선 저항성의 진단을 위한 조성물 및 진단방법. 김재성, 황상구, 한영훈(출원번호: 10-2014-0145085)
** 논문제목 : ERp57 modulates STAT3 activity in radioresistant laryngeal cancer cells and serves as a prognostic marker for laryngeal cancer. Oncotarget(온라인 2015년 1월 8일자)
김재성 박사는 “후두암으로 방사선 치료를 받는 환자에 대해 간단한 진단만으로도 방사선 치료 효과 예측이 가능하며, 후두암 재발을 30%이상 감소시킬 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
연구팀은 이번 방사선 저항성 분자진단 기술개발을 바탕으로 후속연구를 진행하여 임상적용 상용화 기술을 3년 이내에 개발할 예정이다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
. 두경부암에 속하는 후두암은 발성기관의 보호를 위해 주로 방사선으로 치료하는 암이다. 그러나 암세포가 방사선에 내성을 지니는 경우에는 방사선을 쪼여도 치료효과가 낮아 한계가 있어 왔다. 따라서 방사선 치료가 잘 되지 않는 환자를 구분할 수 있는 진단 및 방사선에 대한 내성을 극복하는 치료법 적용은 환자의 생존율 향상과 직결된다. 아직까지 방사선 치료 저항성을 미리 예측할 수 있는 표적분자에 대해서는 잘 알려져 있지 않다.
2. 연구내용
. 방사선을 쪼여도 치료가 잘 되지 않는 후두암환자의 암세포에서 특정단백질 ERp57이 증가되어 있음을 확인하였으며, ERp57을 활용한 실험에서 방사선을 쪼여도 암세포가 죽지 않고 살아남는다는 사실을 실험을 통해 밝혔다.
. 방사선 치료 내성을 판별하는 중요한 표적단백질인 STAT3가 ERp57과 결합하면 STAT3의 활성이 촉진된다는 사실을 밝혔다. 또한 STAT3의 많은 조절인자들(MCL1, CYCLIN D1, IL6, VEGF, P53) 중 MCL1은 암세포를 살아남게 하는 조절인자임을 밝혔다.
. 이러한 결과를 바탕으로 STAT3와 조절인자 MCL1을 억제함으로써 방사선에 대한 내성을 지닌 후두암세포의 방사선 치료 효과를 증진시킬 수 있음을 입증하였다.
. 연구진은 후두암 환자군(106 사례) 검체를 활용하여 ERp57-STAT3이 결합이 되었는지 확인하는 기법인 단백질 PCR(in situ PLA)을 시행한 결과, ERp57-STAT3의 결합률이 높은 환자군이 방사선을 쪼여도 치료가 잘 되지 않음을 확인하였다.
3. 기대효과
. 후두암환자의 방사선 치료 전후에 환자의 방사선 치료 반응성을 예측하여 치료성적을 높일 수 있다.
. 'ERp57-STAT3-MCL1' 단백질군을 활용한 방사선 저항성 분자진단키트제작에 활용 가능하며 분자진단표적으로 활용이 가능하다.
. 방사선 치료 및 표적분자 치료를 결정하고 치료효과를 극대화하는 임상계획에 활용이 가능하다.
주 요 설 명
1. 방사선 치료 저항성
방사선은 직접 혹은 활성산소 발생을 통해 세포핵 속의 DNA를 순식간에 파괴하여 일반세포보다는 계속적으로 분열하는 암세포를 죽게 만든다. 그러나 방사선 치료에 대해 저항성을 가지는 종양세포는 세포자체의 항사멸기전 활성화, 종양 미세환경변화, 종양 줄기세포화 등을 통하여 방사선에 대한 저항성을 가지는 것으로 알려져 있으나, 정확한 조절분자 및 기전은 아직 알려져 있지 않다.
2. 분자진단
세포 내에서 일어나는 다양한 분자 수준의 변화를 수치나 영상으로 평가하는 진단기법이다. 혈액검사나 소변검사보다 정확도가 높고 조직검사를 피할 수 있어 급성장 중인 진단기법이다.
3. 방사선 치료 표적단백질
치료의 표적이 되는 단백질은 그 자체로 종양의 악성화 및 항암치료 저항성에 중요한 역할을 하는 단백질을 의미한다. 따라서 표적단백질의 발굴 및 저해제 개발은 방사선 및 항암치료에 따른 환자의 생존율 향상에 매우 중요하며, 또한 이런 표적단백질들은 그 자체로 환자의 생존율을 예측할 수 있는 분자진단 지표로서 많이 이용될 수 있다.
4. 단백질 PCR
단백질 간의 항원항체* 반응을 활용하여 항원인 ERp57과 STAT3를 인식하는 항체에 DNA조각**을 붙여 방사선 내성이 강한 ERp57- STAT3 단백질 생성여부를 시각적으로 손쉽게 확인 할 수 있는 새로운 방법이다.
* 항원항체반응 : 생체 내 단백질이 항원이 되고 이를 인식할 수 있는 면역단백질이 항체로 작용하여,
특정 항원에 이를 인식하는 항체가 결합하는 반응을 말함
** DNA조각 : 항원항체 결합 반응을 시각적으로 확인(붉은색 반응) 할 수 있도록 특별히 제작된 인공적인 DNA서열임
그 림 설 명
1. ERp57-STAT3조절에 의한 후두암 환자의 방사선 치료 저항성
ERp57에 의한 방사선 치료 저항성은 STAT3의 직접적인 결합으로 활성화되는 것과 관련이 있다. STAT3은 이후 MCL1과 추가 결합하여 암 세포사멸을 방해한다는 사실을 밝혔다.
또한 실제 후두암 환자 조직에서 ‘ERp57-STAT3-MCL1’ 단백질군이 나타나는 경우 방사선 치료에 내성이 생겨 암세포가 잘 죽지 않는 것과 관련이 있음을 새롭게 규명하였다. 향후 방사선 치료에 앞서 내성 여부를 판별하고 이에 대응하는 치료가 가능하여 암환자의 방사선 치료 생존율 향상에 기여할 수 있음을 의미한다.
2. ERp57-STAT3 결합의 분자진단에 따른 생존율 예측
ERp57과 STAT3의 결합이 암 세포의 방사선 치료 내성과 관련이 있음을 규명하였다.
두 단백질의 결합이 환자의 생존율과 밀접한 관련이 있는 요소로서, 두 단백질의 결합 여부를 단백질 PCR(In situ PLA)이라는 새로운 방법으로 실제 환자조직에서 확인하였다. 즉, 단백질 PCR로 간단하게 방사선에 내성이 있는 환자를 판별할 수 있음을 의미한다.
