연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

소음성 난청은 가장 흔한 직업 환경 의학적 질환의 하나이며, 또한 노인성 난청의 주요한 기여 인자이기도 하다. 게다가 우리나라는 남성의 군 의무복무제도로 인하여 많은 수의 잠재적인 환자군이 지속적으로 형성되는 특수한 환경을 가지고 있다. 또한 젊은 연령대의 이어폰 사용 증가로 발생 연령대가 낮아지고 있어 소음성 난청 발생초기에 청력소실 진행을 억제할 수 있는 치료법 개발에 대한 요구가 지속되고 있다.

류코트리엔(Leukotriene, LT)은 강력한 지질중개 물질로서 다양한 면역성, 염증성 자극에 의한 반응으로 아라키돈산(arachidonic acid)에서 유래된다. 류코트리엔 수용체는 대표적인 G단백 결합수용체(G-protein coupled receptor; GPCR)로서 세포 내 칼슘농도 증가를 유도하며 류코트리엔 합성 효소인 5-지방산화효소(5-lipoxygenase; 5-LOX)와 LTC4 합성효소에 의해 생성된 시스테인 류코트리엔(cysteinyl leukotrienes; CysLTs)이 주로 천식, 알레르기성 비염 등과 같은 알레르기성 기도 질환의 증상을 유발시키므로 제1형 시스테인 류코트리엔 수용체(cysteinyl leukotriene type 1 receptor; CysLTR1) 길항제인 몬테루카스트(montelukast)등의 류코트리엔 수용체 길항제(leukotriene receptor antagonist ; LTRA)를 이용하여 이러한 신호전달을 억제하는 것이 주요한 치료법으로 이용되고 있다. 최근에는 이 신호전달계가 심혈관계 및 뇌혈관계 질환, 악성종양, 섬유화질환 등의 발병에 관여하는 것으로 밝혀져 약물의 적용범위가 확장되는 추세이다. 청각기관인 내이의 달팽이관에서도 류코트리엔 수용체가 존재하며 소음노출 후 5-LOX의 변화가 유도됨이 보고되어 있으므로 소음성 난청에서 류코트리엔 신호전달계가 가지는 역할을 명확히 규명하고 치료에 응용하는 것이 필요하다.

2. 연구내용

생쥐를 112dB 크기의 소음에 3시간 동안 노출시킨 후 4종의 류코트리엔 수용체의 유전자 발현을 시간대별로 측정한 결과 CysLTR1만이 3일 후에 유의하게 증가함이 확인되었다. 또한 면역조직화학검사로 단백질 발현을 확인한 결과, 증가된 CysLTR1은 주로 나선인대(Spiral ligament)와 코르티 기관(Organ of Corti)에 분포하였다. 5-LOX 유전자 발현뿐만 아니라 CysLTs의 조직 내 농도도 동일한 시간대에 증가함이 관찰되었다.

이를 토대로 소음 노출 직후부터 4일간 LTRA인 몬테루카스트를 투여한 결과, 비투여군에 비하여 투여군에서 청력 소실이 감소되었으며 청각세포의 사멸도 감소되었다. 활성화된 시스테인 류코트리엔 신호전달계의 하위단계에 연관된 표적을 발굴하기 위해 차세대 염기서열분석기법인 RNA-seq을 이용하여 정상대조군, 소음노출군, 소음노출 후 몬테루카스트 투여군, 몬테루카스트 투여 대조군에서 서로 다른 유의 유전자(differentially expressed gene)를 확인한 결과, 12종의 유전자가 선별되었다. 이 중 기질금속단백질 분해효소중 하나인 MMP-3(matrix metalloproteinase-3)의 발현이 소음 노출에 의해 증가하고 몬테루카스트 투여에 의하여 증가가 억제되었다.

난청 발생 과정에서 MMP-3의 역할을 확인하고자 소음 노출 후 MMP-3 저해제(MMP-3 inhibitor)를 투여한 결과 MMP-3가 시스테인 류코트리엔 하위단계에서 청력 손상에 관여함을 확인하였다. 따라서 본 연구는 달팽이관에서 유해한 소음 자극에 의해 시스테인 류코트리엔 신호전달계가 활성화되며 이 과정에 의해 활성화된 MMP-3를 LTRA에 의해 약화시킴으로써 청력을 보존할 수 있다는 새로운 기전을 밝힌 것이다.

3. 기대효과

청각기관에서 시스테인 류코트리엔 신호전달계를 표적으로 하는 신약 후보물질 발굴 등을 위한 후속연구로의 연계가 기대된다. 현재까지 귀마개를 사용한 예방요법 이외의 뚜렷한 치료법이 없는 소음성 난청환자에서 기존 치료의 단점을 보완하고자 몬테루카스트가 15년 이상 알레르기성 질환 환자에서 안전하게 처방된 경험을 바탕으로 빠른 임상 시험이 가능하기 때문에 신약 재창출 과정을 통하여 예상하지 못한 소음에 노출된 환자들에서도 청력 보존을 위한 경제적이며 효과적인 약물 치료가 가능할 것으로 기대된다.

연 구 결 과 문 답

이번 성과 뭐가 다른가		기존에는 시스테인 류코트리엔 신호전달계가 천식 등 알레르기성 호흡기 질환에 주로 관여한다고 알려져 있었으나, 본 연구를 통해 소음성 난청의 발생에도 중요한 역할을 수행하는 것이 밝혀짐
어디에 쓸 수 있나		아직 치료법이 정립되지 않은 소음성 난청 환자의 급성기 치료에 응용 가능할 것으로 기대됨
실용화까지 필요한 시간은		시스테인 류코트리엔 신호전달계를 차단하는 몬테루카스트라는 약물이 15년 이상 안전하게 처방되어 왔기 때문에 임상시험 통과 여부에 따라 조기 실용화가 가능할 것으로 기대됨
실용화를 위한 과제는		임상시험을 위한 소음 노출 대상 및 방법을 선정하는 것이 가장 중요한 선결 과제이며 윤리적 문제도 고려해야함
연구를 시작한 계기는		소음노출 후 난청이 발생하여 내원한 환자군에서 안전하고 효과적인 약제가 개발되어 있지 않아 경험적인 스테로이드 처방으로 치료하며 한계를 느끼고 새로운 치료표적 발굴에 대한 필요성을 절감하였음. 또한 이비인후과 영역에서 알레르기성 비염 환자의 중요도가 높기 때문에 류코트리엔 신호전달계에 흥미가 많았음
에피소드가 있다면		가장 핵심적인 결과 중 하나인 RNA 서열분석을 수행하며 뼈 안에 구조를 이루고 있는 달팽이관의 해부학적 특성상 RNA 추출시 RNA 불안정성 때문에 정성검사를 반년 이상 통과하지 못해 실험이 중단될 위기에 놓였었으나 수차례에 걸쳐 추출과정을 수정하여 성공함
꼭 이루고 싶은 목표는		새로운 분야인 시간-청각학(chrono-audiology)을 소음성 난청을 비롯한 다양한 난청질환에 접목하여 많은 기초연구 성과를 도출하고 나아가 난청 환자 치료에 응용하고자 함
신진연구자를 위한 한마디		본 연구수행 과정에서 여러 연구자들과 교류하며 적합한 방향을 찾았던 것이 성공의 열쇠라 생각됩니다. 잘 안 풀리는 부분이 있거나 아이디어가 필요할 땐 주변 동료나 교수님들과 수시로 질문과 토론을 가져보기를 권합니다.

용 어 설 명

1. Proceedings of the National Academy of Sciences(PNAS) 誌

○ 미국국립과학원에서 발간하는 과학 전분야를 다루는 국제학술지

2. 시스테인 류코트리엔 신호전달계(Cysteinyl leukotriene signaling)

○ 천식이나 알레르기성 비염 같은 알레르기성 호흡기 질환에서 특정 자극에 의해 세포막이나 핵막의 지질로부터 합성된 염증매개 물질 시스테인 류코트리엔에 의해 기관지나 코점막 등의 표적기관에서 염증반응을 유발시키는 과정.

3. RNA-seq

○ 차세대 염기서열분석기법으로 특정 샘플에서 발현되는 RNA 서열을 분석하여 전사체(transcript)에 대한 다양한 정보를 한 번에 알아낼 수 있는 방법으로 정확한 유전자 발현량을 측정할 수 있으며 대량의 신규 유전자 발굴도 가능함.

4. 기질금속단백질 분해효소(matrix metalloproteinase, MMP)

○ 세포의 기질을 구성하는 세포부착성 당단백질, 탄력소 등의 섬유성 단백질, 프로테오글리칸, 글리코사미노글리칸 등의 복합 단백질을 분해하는 효소의 총칭

○ 조직재생, 분화, 개체 방어, 암전이, 염증 발생 과정 등에 관여함.

5. 신약재창출(drug repositioning)

○ 신약개발의 한 유형으로 임상시험을 통과하여 판매 중이거나 임상시험 단계에서 안전성 이외의 이유로 승인받지 못한 약물들의 새로운 적응증을 탐색하여 약물의 용도를 확장하는 과정.

○ 안전성이 검증된 약물을 대상으로 하기 때문에 개발기간 단축 및 개발비용 절감을 기대할 수 있음.

그 림 설 명

그림. 청각세포에서의 몬테루카스트 투여 효과

(A,B) 소음 노출 후 몬테루카스트 투여한 경우(Montelukast)와 투여하지 않은 경우(Noise-only) 각각에 대해 소음에 대한 뇌간유발반응*을 살펴본 결과 두 경우 모두 일시적 청각손실(A)은 나타나지만 몬테루카스트 투여시 영구적 청각손실(B)은 보호가 됨을 확인함.

(C,D,E) 소음 노출 후 몬테루카스트에 의해 청각세포의 생존율이 높아졌음을 청각세포의 핵 염색(푸른색)과 액틴 염색(붉은색)을 통해 확인하였으며(C, D), 청각세포 섬모의 손상여부를 전자현미경을 통해서도 확인(E)하였다.

※ 뇌간유발반응(ABR, Auditory Brainstem Response) : 음자극 후 내이 청신경 및 뇌간핵 등의 청각 전달로에서 발생하는 반응을 평가하는 검사로 환자의 청각 역치의 평가와 난청의 유형을 구별할 수 있고 청신경 병변의 이상 유무를 평가하는데 있어서 높은 민감도를 보이는 검사.

박정섭 박사[제1저자] 이력사항

인적사항

○ 소  속 : 카롤린스카 의과대학 생리-약리학교실

○ 전  화 : +46-73-142-9310

○ 이메일 : jung-sub.park@ki.se

학력

○ 1998～2004 : 아주대학교 의과대학 의학사

○ 2009～2014 : 아주대학교 의과대학 의학박사

경력사항

○ 2005～2009 : 아주대학교 병원 이비인후과 전공의

○ 2009～2012 : 아주대학교 의과대학 약리학교실 연구강사

○ 2014 : 아주대학교 병원 이비인후과 임상강사

○ 2014～현재 : 카롤린스카 의과대학 Postdoctoral fellow

전문분야 정보

○ 소음성 난청의 발병 기전 및 표적물질 발굴 연구

○ 청각 기관의 에너지 대사과정 연구

○ 시간-청각학(chrono-audiology) 연구

박상면 교수[교신저자] 이력사항

1. 인적사항

○ 소  속 : 아주대학교 의과대학 약리학교실

○ 전  화 : 031-219-5063

○ 이메일 : sangmyun@ajou.ac.kr

2. 학력

○ 1993～1999 : 연세대학교 의과대학 의학사

○ 1999～2003 : 연세대학교 의과대학 의학박사

3. 경력사항

○ 2006～2010 : 아주대학교 의과대학 약리학교실 조교수

○ 2010～현재 : 아주대학교 의과대학 약리학교실 부교수

4. 전문분야정보

○ 파킨슨병 연관 단백질의 정상/생리적인 기능 연구

○ 뇌염증반응 연구

○ 천식 및 소음성 난청의 발병 기전 및 표적물질 발굴 연구

5. 연구지원정보

○ 2012～현재 : 미래창조과학부 선도연구센터지원사업(기초의과학분야, MRC)
아주대학교 의과대학 만성염증질환연구센터