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바이오통신원   
염증성 질환용 펩타이드 치료제 개발 성공
의학약학 미래창조과학부 (2017-03-16 10:22)

미래창조과학부는  “우리 몸에 세균이 침입했을 때 분비되는 면역단백질이 과도하게 분비되는 것을 차단하고, 부작용을 줄이면서 염증성 질환을 치료할 수 있는 펩타이드* 치료제를 개발하였다”고 밝혔다.
     * 펩타이드 (peptide) : 아미노산의 중합체. 보통 소수의 아미노산이 연결된 형태를 펩타이드라 부르고 많은    아미노산이 연결되면 단백질이라 칭함.

류마티스 관절염을 비롯한 자가면역질환*, 패혈증 등은 톨-유사수용체4(TLR4)*가 과도하게 반응하여 나타나는 염증성 질환이다. 우리 몸의 면역센서 중 하나인 TLR4 신호전달경로를 타깃으로 염증성 사이토카인* 분비를 차단하는 새로운 치료제가 개발되었다. 인체 내에서 면역세포와 결합해 치료하는 원리로 부작용이 적고 소량의 치료제로도 질환을 치료할 수 있는 가능성이 제시되었다.
     * 자가면역질환 : 면역세포가 자신의 몸을 공격하는 병. 루프스, 자가면역성 갑상선 질환, 1형 당뇨병, 류마티스
       관절염, 다발성 경화증 등 100여 가지 정도의 질병이 있음.
     * 톨-유사 수용체(Toll-like receptor; TLR) : 우리 몸에 병원체가 침투하면 TLR이 그 성분들을 인식하고
       선천면역 반응을 개시하게 됨. TLR은 외인성 병원체 또는 일부 내인성 인자를 인식하여 면역반응을
       활성화시키는 수용체. TLR4는 그 중 하나로 가장 중요한 역할을 하고 있음.
     * 사이토카인(cytokine) : 세포신호 전달에 관여하는 비교적 작은 크기의 다양한 단백질로 면역, 증식, 분화, 사멸 등 신호체계 관리에 주요한 기능을 하며 낮은 농도로 시스템 전체에 복잡한 효과를 나타냄. 염증성 질환에서는 염증성 사이토카인이 과도하게 분비되므로 이의 분비를 막아주는 것이 치료제로 활용됨.
     
최상돈 교수 연구팀(아주대)은 미래창조과학부․한국연구재단 기초연구사업(개인연구), 교육부 중점연구소지원사업, 보건복지부·한국보건산업진흥원 질환극복기술개발(질병중심 중개기반연구)사업의 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 바이오머터리얼스(Biomaterials) 2월 27일자에 게재되었다.

논문명과 저자 정보는 다음과 같다. 
   - 논문명 : TLR4/MD2 specific peptides stalled in vivo LPS-induced immune exacerbation
   - 저자 정보 : 최상돈 교수(교신저자, 아주대), 박설희(제1저자, 아주대), 신현준(공동 제1저자, 아주대), 마수드 샤(공동 제1저자, 아주대), 조혜영, 무하마드 아야즈 안와, 아스마 아첵, 권혁권, 이병성, 유태현 교수(이상 공동저자, 아주대)

논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 1. 연구의 필요성

  ○ 기본적으로 면역반응은 인간의 몸을 보호하기 위해 필요하지만, 면역반응의 과활성은 각종 염증성 질병을 발병 및 악화시키는 원인이 되기도 한다. 면역반응에서 중요한 역할을 하는 톨-유사수용체(Toll-like receptor; TLR)는 외부에서 침입하는 이물질을 인식하여 우리 몸의 면역력을 증강시키나 특수 환경에서는 과도하게 반응하여 질병상태를 유발하기도 한다. 따라서 TLR의 과활성에 의해 유발되는 류마티스 관절염, 패혈증, 기타 자가면역질환 등을 비롯한 염증성 질병은 TLR 신호차단을 통해 증상을 완화 또는 치료할 수 있다.

  ○ 자가면역질환은 현재 소염제, 면역억제제, 진통제 등의 치료제가 사용되고 있으나 증상을 완화시키는 정도의 치료만 하고 있으며, 특히 사용되는 치료제중 스테로이드제는 장기복용 시 심각한 부작용을 보이기도 한다.

  ○ 따라서 강력한 약리작용을 가지면서도 생체 친화적인 특성을 가져 적은 부작용을 보이며, TLR를 찾아가는 생체 내 특이성이 높아 자가면역질환을 효과적으로 치료하는 치료제의 개발이 필요하다. 
 2. 연구 내용

  ○ 톨-유사수용체4(TLR4) 신호전달경로를 제어하는 신규 펩타이드 치료제를 발굴하기 위해 항체 제조방법으로 널리 쓰이는 파지 디스플레이(phage display)* 기술을 응용하여 아미노산 길이 12개 및 15개 길이의 다양한 풀의 펩타이드 파지 라이브러리*를 제조하였고, 바이오패닝(biopanning)* 기술로 스크리닝 하여 TLR4에 결합하는 펩타이드를 발굴하였다.
      * 파지 디스플레이(phage display) : 파지란 세균에 감염하여 증식하는 바이러스를 말하며, 파지 표면 단백질에 융합시킨 형태로 파지미드 벡터(phagemid vector)안에 무한대 조합의 유전자 서열을 클로닝하여 대장균에서 발현시킨 후 헬퍼파지를 감염시킴으로써 파지의 표면에 가능한 모든 조합의 펩타이드 서열이 나타나게 만드는 방법.
      * 펩타이드 파지 라이브러리 : 다양한 펩타이드 서열이 파지 표면에 들어난 파지들의 집합체.
      * 바이오패닝(biopanning) : 항체 라이브러리로부터 항원에 대한 hit 항체를 선별하는 과정. 항원과 파지   항체의 결합력에 의해서 선별함.

  ○ 스크리닝을 통해 발굴된 펩타이드들을 쥐의 면역세포(RAW264.7), TLR4 발현 인간신장세포(HEK), 및 인간 말초혈액 단핵구 세포에 TLR4 리간드*인 지질다당체(lipopolysaccharide; LPS)*와 함께 처리했을 때 TLR4 신호전달경로가 현저하게 차단됨을 확인하였다. 쥐를 이용한 동물실험에서도 LPS에 의해 유도된 TLR4 매개 염증성 사이토카인 분비를 펩타이드 치료제가 유의적으로 감소시켰고 류마티스 관절염 증상도 치유함을 확인하였다.
       * 리간드(ligand) : 효소나 수용체와 같은 단백질에 특이적으로 결합하는 물질. 효소에 있어서는 기질이나
         보효소이고 수용체에 있어서는 항체, 호르몬, 약제 등의 분자임.
       * 지질다당체(lipopolysaccharide; LPS) : 그람 음성균주의 세포벽 성분으로 TLR4를 자극하여 염증을 일으키는 인자.

 3. 연구 성과
    
  ○ 파지 라이브러리 제작과 바이오패닝 기술을 이용한 펩타이드 스크리닝 시스템을 활용하여 강력한 약리작용 및 활성을 나타낼 수 있는 TLR4 신호 제어 펩타이드 치료제를 개발하였다. 펩타이드의 특성상 먹는 단백질 성분을 사용하여 다른 치료제와 비교했을 때 부작용이 적으며, 대상 세포의 TLR4를 정확히 찾아가서 차단하는 특이성도 높다.

  ○ 개발된 펩타이드 신약은 소량으로 강력한 약리작용, 손쉬운 제조, 품질관리 및 산업화 용이성 등의 장점을 가지고 있으며, 효과적으로 TLR 경로를 제어함으로써 류마티스 관절염, 패혈증 등 각종 염증성 질병의 새로운 치료제로 개발될 것으로 기대된다.


최상돈 교수는  “이 연구는 기존 연구에 비해 부작용이 적어 생체친화적이고, 대상 세포의 TLR4 타깃을 정확히 찾아가서 차단하는 특이성 높은 염증성 질환용 펩타이드 치료제를 개발한 것이다. 동물실험에서도 류마티스 관절염과 신장조직 손상을 치료하는 것으로 나타났다. 임상용 주사제를 개발 중에 있어 상용화 가능성이 높다. 류마티스 관절염, 패혈증, 자가면역질환 등 염증성 질병의 새로운 치료제로 개발될 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.


연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 선천면역은 동물의 신체 외부에서 병원성인자 침입 시 또는 내부에서 염증성 인자 발생 시 즉각적으로 반응하여 이를 격퇴 또는 치유하고 다양한 사이토카인을 분비하여 후천면역 형성을 도와주는 매우 중요한 반응이다. 
  ㅇ 선천면역 유도 및 염증성 반응 신호전달에 관여하는 기본 수용체로서 톨-유사 수용체(Toll-like receptor; TLR)가 존재한다. 하지만 TLR 신호전달의 과활성은 전신 홍반성 낭창 (루프스; Systemic Lupus Erythematosus)이나 류마티스 관절염 (Rheumatoid Arthritis)과 같은 자가면역질환 및 패혈증 (Sepsis) 등의 질병과 높은 연관성이 있다.
  ㅇ 이와 같은 질병들은 현재 소염제, 면역억제제, 진통제 등으로 증상을 완화시키는 정도의 치료만 하고 있으며 특히 스테로이드제의 장기복용에 의해 심각한 부작용을 보인다.

 2. 연구내용
  ㅇ 연구팀은 파지 라이브러리 제조와 바이오패닝 스크리닝을 이용하여 TLR 신호전달 조절 펩타이드를 발굴할 수 있는 시스템을 구축하였다.
  ㅇ 발굴된 신규 펩타이드들을 쥐 면역세포, TLR4 발현 인간 신장세포 및 인간 말초혈액 단핵구 세포에서 TLR4 리간드인 LPS와 함께 처리하여 TLR4 신호전달경로가 세포주(cell line)* 및 1차 배양세포(primary cell)*에서 현저하게 차단됨을 확인하였다.
         * 세포주 : 동물로부터 얻어낸 세포에 유전적 변이를 가하여 불멸화시킨 세포
         * 1차 배양세포 : 동물로부터 얻어낸 정상적 세포 그 자체를 의미하며 유전적 변이가 가해지지 않은 세포
  ㅇ 표면 플라즈몬 공명 (surface plasmon resonance; SPR)* 분석기술을 이용하여 TLR4 수용체 및 펩타이드 분자간 생리학적 결합을 확인하였고 인실리코 컴퓨터 모델링을 활용하여 TLR4와 펩타이드간의 결합부위를 제시하였다.
         * 표면 플라스몬 공명 (Surface plasmon resonance, SPR) : 평평한 표면에 입사한 빛에 의해 들뜬 상태가 된 표면 플라스몬의 상태를 가리킨다. 이 현상은 금이나 은 같은 금속 표면의 위, 또는 금속 나노 입자 위 시료의 흡착 정도를 측정하는 표준 계측 원리로 이용되어 정량, 정성 분석이 가능한 바이오센서에 활용되고 있다.
  ㅇ 생체 내 (in vivo)에서의 펩타이드 효과를 알아보기 위해 TLR4 매개 사이토카인 분비를 확인할 수 있는 쥐 모델을 만들어 신규 펩타이드가 염증성 사이토카인 분비를 유의적으로 감소시킴을 증명하였고 류마티스 관절염 쥐 모델에서도 증상 치유 효과를 확인하였다.
  ㅇ 결론 : 신규 펩타이드들은 TLR4 신호를 차단하는 우수한 효과가 관찰되었으며 세포 및 동물에서 염증 치유 효과를 확인하였다.

3. 기대효과
  ㅇ 본 연구를 통해 개발된 펩타이드는 TLR4 신호전달을 차단함으로써 상기 질환을 비롯한 각종 염증성 질병의 치료제로 응용될 수 있으며, 펩타이드의 특성상 '생체친화적' 및 '높은 특이성'이라는 차별성을 가져 부작용은 적거나 없으면서 소량으로도 강력한 약리작용 및 활성을 나타낼 수 있다.
  ㅇ 쥐를 이용한 류마티스 관절염 모델 및 신장조직손상 모델에서 펩타이드에 의해 증상이 치유됨을 확인하였기 때문에 대부분의 염증성 질환에서도 효과가 있을 것으로 기대된다.


★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

연구책임자는 인간 제놈 프로젝트(Human Genome Project)의 완성을 알리는 2001년 네이처 논문 저자 가운데 유일한 한국인이며, 2006년까지 노벨상 수상자인 알프레드 길만이 이끄는 AfCS(Alliance for Cellular Signaling) 그룹의 책임연구원(Lead Scientist)으로 면역세포에서의 세포신호전달에 대한 연구를 수행한 바 있다. 이런 이력을 바탕으로 선천면역에서 가장 중요한 역할을 하고 있는 Toll-like receptor (TLR) 신호전달 메커니즘 연구를 계속해오면서 TLR 신호가 다양한 염증성 질환과 연관성이 깊음을 깨달았고 그 치료제 개발에 박차를 가하게 되었다.


□ 연구 전개 과정에 대한 소개

연구팀은 이번 성과에서 이용한 파지 디스플레이 응용은 물론 컴퓨터 생물학을 활용하여 수백만 개의 소분자(small molecule) 중 TLR 신호전달과 연관성 있는 물질을 찾아내는 고속대량스크리닝(high throughput screening; HTS) 기법, 단백질 도메인의 일부를 모방하여 본래 결합하는 단백질 대신 미끼 펩타이드(decoy peptide) 활용 등 다방면의 스크리닝 기법을 동원하여 면역치료제 후보군 발굴 시스템을 구축하였다. 선정된 후보군을 대상으로 분자생물학적 실험방법을 통해 다양한 세포에서의 TLR 신호전달 억제 효과를 확인하였고, 표면 플라즈몬 공명 분석과 분자 모델링을 이용하여 표적 단백질과의 결합 친화도 및 위치를 확인 및 제시하였다. 생체내(in vivo) 효능을 확인하기 위해 염증성 사이토카인 모델 쥐를 이용하여 실험한 결과 발굴한 펩타이드에 의해 염증성 사이토카인 분비가 억제됨을 증명하였다. 이는 신규 펩타이드가 다양한 면역질환에 대한 약물로 개발될 수 있음을 시사한다.


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

면역체계는 외부침공에 대한 방어시스템으로 우리 몸에서 차지하는 비중이 크고 신호전달경로도 복잡하다. 최근 생명과학의 발전 및 환경의 복잡성으로 새로운 네트워크와 분자 타깃들이 방대해지고 있다. 따라서 면역반응을 제어하기 위한 표적을 정하기가 어려워지고, 이미 발견된 면역제어 물질도 지속적으로 좋은 효과를 내기 힘든 상황이다. 연구팀은 오랜 기간 축적된 TLR 연구 경험을 바탕으로 다양한 표적 단백질을 인실리코로 시뮬레이션할 수 있었고 고속대량스크리닝으로 분자들의 풀을 압축할 수 있었으며, 이후 세포 및 동물 실험으로 유효분자를 신속히 선별해 낼 수 있었다.


□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

최근 펩타이드 의약품 개발이 다시 주목을 받고 있다. 펩타이드 신약 후보물질은 단백질 구성인자 중 뛰어난 생리활성을 가진 최소 단위를 선별해 생체 신호전달 및 기능 조절에 활용하게 된다. ‘생체친화적' 및 '생체내 특이성'이라는 차별성을 가져 부작용은 적거나 없으면서 소량으로도 강력한 약리작용 및 활성을 나타낼 수 있다. 또한 펩타이드를 이루는 아미노산은 20종류로 한정적이어서 화학적 제조변형이 쉽기에 품질관리가 용이하다.


□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

톨-유사 수용체 TLR 표적 물질에 대한 연구결과가 보고되고 있고, 약물로의 개발을 위해 임상시험에 돌입한 물질과 그 중 탈락한 후보 물질도 있다. 신약개발은 인간을 대상으로 하고 있어 신중하게 진행되어야 하는 특성상 예상과 달리 중도 탈락의 고비도 있겠지만 좋은 신약 후보군을 계속 발굴하면서 면역질환을 치유할 수 있는 성공적 약물로 개발되기를 희망한다. 다행히 최근 진행되고 있는 질병 모델에서 가시적 부작용이 관찰되지 않는 상태에서 우수한 치유효과를 보이고 있어 매우 긍정적 전망을 나타내고 있다. 임상 의사들과의 협력으로 임상실험이 계획되어 있다.


□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

연구 초반 약물 후보군 스크리닝에서 효과 있는 물질을 최종 발굴하지 못하면서 우리가 시도하고 있는 방법이 맞는지 의구심이 들 때가 있었으며, 반복되는 실험에 연구원들 대부분이 지쳐 있었고 이 때가 모두에게 제일 힘든 시기였다. 하지만 최초 효능 물질을 발굴하면서 우리의 방법에 대한 확신과 신바람으로 후속 물질들을 연이어 발굴할 수 있었다. 현재는 본 연구의 펩타이드뿐만 아니라 여러 가지의 긍정적인 실험결과를 나타내는 다양한 후보물질들을 검증 중에 있으며 앞으로 나올 결과물들에 대한 기대가 크다. 모든 참여연구원들의 인내와 헌신적 협심의 결과이다.

신규 개발된 TLR4 길항작용 펩타이드(TLR4 antagonistic peptide; TAP)의 작용 모식도
(그림 1) 신규 개발된 TLR4 길항작용 펩타이드(TLR4 antagonistic peptide; TAP)의 작용 모식도
펩타이드는 TLR4/MD2 복합체와 결합함으로써 원래 TLR4의 리간드인 LPS의 결합을 방해하게 된다. 따라서 TLR4 신호전달경로가 차단되고 사이토카인 및 활성산소종(ROS)과 산화질소(NO)의 발생이 감소하게 된다.

류마티스 관절염 유도 쥐 모델(Collagen induced arthritis; CIA)에서 펩타이드에 의한 증상 완화 효과
(그림 2) 류마티스 관절염 유도 쥐 모델(Collagen induced arthritis; CIA)에서 펩타이드에 의한 증상 완화 효과
콜라겐 주사에 의해 쥐에게 류마티스 관절염을 유도한 후 펩타이드를 주사하였다. 관절염이 유도된 쥐(CIA)는 발이 부은 현상이 뚜렷이 보이는 반면 펩타이드를 투여한 쥐(Peptide)에서는 정상쥐(Normal)와 거의 흡사함을 알 수 있다.

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본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다. [기사 오류 신고하기]
 
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