국내 연구진이 뇌 면역세포의 기능회복을 통해 알츠하이머병을 치료할 수 있는 가능성을 확인하였다.

서울대학교 묵인희 교수, 백성훈 박사, 강석조 박사 연구팀이 뇌 면역세포인 미세아교세포가 알츠하이머병에서 기능을 상실하는 원인을 규명하고 면역기능을 회복시켜 치료효과를 거둘 수 있음을 확인했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기정통부’)는 밝혔다.

이번 연구결과는 학계에서 우수성이 인정되어 ‘셀’ (Cell)의 자매지인 ‘셀 메타볼리즘’ (Cell Metabolism, IF=22.5)에 6월 28일 게재되었다.
 
※ 논문명: A breakdown in metabolic reprogramming causes microglia dysfunction in Alzheimer’s disease.
 
※ 저자 정보: 백성훈(서울대학교, 제1저자), 강석조(서울대학교, 제1저자), 묵인희(서울대학교, 교신저자) 포함 총 7명
 
알츠하이머병은 노인성 치매의 약 70%를 차지하는 질환으로서, 뇌 실질에 비정상적으로 축적되는 베타 아밀로이드 단백질에 의해 신경세포가 손상되며, 기억력을 포함한 인지기능이 점진적으로 악화되는 만성 퇴행성 신경질환이다.

뇌 면역세포인 미세아교세포는 평상시 주변을 탐지·보수하는 신경교세포인데, 알츠하이머병의 주요 원인물질 중의 하나인 베타 아밀로이드 단백질을 감지하면 활성화되어 베타 아밀로이드 단백질을 포식·분해하는 청소부 역할을 한다.

이와 같은 미세아교세포의 기능은 잘 알려져 있지만, 미세아교세포의 면역기능이 어떻게 활성화되고 알츠하이머병에서 어떻게 기능을 상실하게 되는지에 대한 정확한 기전은 지금까지 알려진 바가 없다.

연구팀은 미세아교세포가 베타 아밀로이드를 제거하는데 필요한 에너지를 생성하는 대사과정*을 실시간으로 확인함으로써 알츠하이머병에서 미세아교세포의 역할을 규명하고자 하였다.
    * 생물체가 외부로부터 흡수한 물질을 분해 혹은 합성하여 에너지를 얻는 과정

실험 결과, 미세아교세포는 베타 아밀로이드에 노출되면 에너지 생성 속도를 높여 베타 아밀로이드를 포식․분해하는데 필요한 에너지를 얻는다는 것이 확인되었다.

베타 아밀로이드에 급성으로 노출된 정상 미세아교세포는 에너지생성과정이 속도가 느린 미토콘드리아의 산화적 인산화*(燐酸化)에서 속도가 빠른 해당(解糖)과정**으로 전환되는 대사재편성(metabolic reprogramming)을 보였다.
    * ADP(아데노신이인산)라는 유기화합물에 인산이 결합하여 생물활동에 필요한 다량의 에너지를 방출하는 ATP(아데노신삼인산)를 만드는 과정
 
   ** 포도당을 산소의 도움 없이 분해시켜 ATP 분자를 짧은 시간에 다량 생성

반면, 만성적으로 베타 아밀로이드에 노출된 알츠하이머병 뇌 조직의 미세아교세포는 산화적 인산화와 해당과정이 모두 손상되어 에너지 생산을 못하는 대사결손 상태에 이르고, 이로 인하여 면역기능장애가 발생함을 발견하였다.

이에 연구진은 대사촉진기능이 알려진 감마인터페론을 유전자변형 치매 마우스에 처리하여 대사결손 상태였던 미세아교세포의 해당과정을 회복시키고 변화를 관찰하였다.

그 결과, 베타 아밀로이드 단백질을 포획하는 면역기능이 다시 활성화되었고, 인지능력 또한 회복됨을 확인하였다.

이번 연구결과는 알츠하이머병에서 뇌 면역세포인 미세아교세포가 어떠한 대사과정을 통해 베타 아밀로이드를 제거하는지를 규명하였으며 미세아교세포의 대사촉진을 통해 알츠하이머병을 치료하는 새로운 접근법을 제시한 것으로 평가된다.

묵인희 교수는 “현재 임상적으로 알츠하이머병에 사용되는 약물은 근본적 치료제가 아닌 증상완화제뿐이고 그동안 신경세포의 사멸을 막고, 활성화시키는 연구들이 진행되어 왔지만 임상시험에서 실패해왔다.”라면서,

 “본 연구는 신경세포가 아닌 뇌 면역세포의 조절을 통한 뇌 환경의 정상화 가능성을 보여주어, 향후 알츠하이머 극복에 한걸음 더 다가가는 계기가 될 것이라 기대한다.”라고 말했다.

이 연구는 과기정통부의 뇌과학원천기술개발사업, 중견연구자 사업 및 MRC 집단연구 지원 등으로 수행되었다.

연구결과 개요

１ 연구배경
 ㅇ 알츠하이머병은 대표적인 치매질환으로 뇌 속에 베타 아밀로이드와 타우라는 치매 원인 단백질이 쌓이고, 신경세포의 손상과 함께 기억력 손상이 나타나며 또한 신경교세포에 의한 염증반응이 나타나는 것이 특징이다. 
   - 여러 종류의 신경교세포 중에서도 미세아교세포는 뇌 속에 존재하는 대표적인 선천면역세포로서, 평상시에는 주변을 탐색하고 보수하는 역할을 수행하나, 베타 아밀로이드 단백질과 같은 비정상적 물질을 감지하면 이를 제거하기 위해 활성화된다. 
 ㅇ 본 연구는 뇌 면역세포인 미세아교세포가 알츠하이머병 유발 물질로 알려진 베타 아밀로이드에 반응하여 이를 제거하기 위해 활성화 될 때, 미세아교세포 내에서 일어나는 에너지 대사학적 반응기전 변화에 주목하였다.
 
   - 세포는 역할에 따라 세포 고유의 에너지대사를 갖는다. 평상시 세포는 가장 효율적인 미토콘드리아의 산화적 인산화를 사용하여 에너지를 생성하지만, 면역세포처럼 주변 환경 변화에 빠르게 대응하기 위하여 급격하게 에너지를 필요로 하는 경우에는 호기성 해당과정을 사용하여 빠르게 에너지를 생성한다. 뇌 면역세포인 미세아교세포가 베타 아밀로이드에 반응하여 어떠한 에너지 대사 변화를 겪는지는 현재까지 자세히 알려진 바가 없다.

２ 연구내용
 ㅇ 본 연구팀은 마우스 미세아교세포를 배양한 후, 베타 아밀로이드를 처리하여 세포의 반응성을 확인하였다. 미세아교세포의 실시간 세포대사분석을 수행한 결과, 베타 아밀로이드 처리 직후 미세아교세포의 해당과정이 빠르게 증가하였으며, 반면에 미토콘드리아 산화적 인산화는 감소하는 대사 재편성(metabolic rreprogramming)이 발생하였다. 이를 통하여 미세아교세포의 염증사이토카인 분비, 대식작용 등으로 면역능력이 활성화됨을 확인하였다.  
 ㅇ 반면 베타 아밀로이드에 만성적으로 노출 된 미세아교세포는 해당과정과 미토콘드리아 기능이 모두 감소하는 대사결손상태에 이르게 되며, 이와 함께 면역능력이 감소됨을 관찰하였다. 이러한 결과를 통해 만성적인 퇴행성 뇌 질환인 알츠하이머병의 경우에는 뇌 미세아교세포의 에너지 대사결손상태가 야기됨에 따라 면역기능의 이상이 나타남을 확인하였다.
 
 ㅇ 즉, 마우스 미세아교세포 배양 실험을 통하여, 급성으로 베타 아밀로이드에 노출된 미세아교세포는 정상적인 ‘대사-재편성’이 발생하여 면역능력이 활성화되는 반면, 만성으로 베타 아밀로이드에 노출된 미세아교세포는 대사결손상태가 나타나게 되어 면역능력이 감소됨을 확인하였다. 이러한 현상은 유전자변형 치매 마우스 뇌 조직으로부터 분리한 미세아교세포의 게놈-와이드 리보 핵산 서열분석을 통하여서도 동일한 결과를 확인 하였다.
 ㅇ 대사촉진기능이 알려진 감마인터페론을 알츠하이머병 마우스에 주입하여 대사결손 미세아교세포의 해당과정을 회복시키자, 미세아교세포의 대사촉진으로 인한 면역반응이 활성화됨을 확인하였고, 이를 통해 뇌 속에 축적된 베타 아밀로이드 플라크의 수와 양의 감소와 더불어 인지능력이 회복됨을 관찰하였다.  

３ 기대효과
 ㅇ 이번 연구에서는 뇌 면역세포인 미세아교세포가 알츠하이머병의 원인 물질인 베타 아밀로이드에 반응하여 ‘대사-재편성’을 겪게 되며, 그 결과 미세아교세포의 면역기능이 조절됨을 확인하였다. 반면 만성적으로 베타 아밀로이드에 노출된 미세아교세포는 대사결손을 발생하게 되어 손상된 면역반응을 보이는데, 감마인터페론을 통해 미세아교세포의 해당과정을 회복시키자 대사촉진을 통한 면역기능이 회복됨을 확인하였다. 이를 통하여 미세아교세포의 대사촉진을 통한 신경퇴행성 질환의 새로운 치료적 전략에 한걸음 다가간 것이라고 기대한다.
 
연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 
2013년 미세아교세포의 세포표면 수용체 중 하나인 TREM2 (triggering receptor expressed on myeloid cells 2)의 돌연변이가 알츠하이머병의 위험인자임이 보고 된 이후, 미세아교세포의 대한 많은 연구가 수행되어져 왔으나, 알츠하이머병에서 미세아교세포의 생리나 역할은 명확히 규명되지 않았다.
 
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
알츠하이머병에서의 미세아교세포의 정확한 생리와 기전을 확인하기 위하여, 시험관 세포배양실험, 뇌 조직 세포분리실험, 실시간 생체 내 촬영, 그리고 치매모델 유전자변형 마우스 실험까지 다양한 측면에서 실험을 수행하여 결과를 확인하였다. 시험관 세포실험을 통하여 아밀로이드 단백질에 대한 대사학적 반응기전과 그에 따른 표현형질을 확인하였으며, 이러한 결과들을 바탕으로 뇌 조직 실험 및 마우스 생체 실험을 수행하였다. 모든 실험에서 같은 결과가 반복되는 것을 확인 할 수 있었다.
 
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
미세아교세포는 생체 내에서 주변을 탐색하고 보수하는 특성을 갖는다. 미세아교세포는 환경에 매우 민감하게 반응하므로, 조직에서 분리하게 되면 2시간 안에 고유의 특성 및 표지인자들을 잃게 되어 기전연구에 필수적인 시험관 실험이 매우 어렵다는 것이 알려져 있다. 이러한 어려움을 극복하기 위하여 본 연구진은 마우스 뇌 조직으로부터 세포를 신속하게 분리하자마자 바로 동결하였고, 이를 통하여 미세아교세포 고유의 특성을 보존한 상태로 게놈-와이드 리보 핵산 서열분석을 진행하였다. 또한 이광자 현미경을 이용한 마우스 생체 내 촬영을 수행함으로써 미세아교세포의 반응기전과 반응성을 살아있는 마우스의 뇌를 관찰하며 실시간으로 정확하게 확인할 수 있었다.  
 
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
본 연구에서는 미세아교세포의 에너지대사를 primary microglia culture, in vivo live imaging 등을 통해 실시간으로 분석함으로써 기존에 볼 수 없었던 microglia의 생리적 특성을 확인하였으며, 대사조절을 통한 미세아교세포의 형질전환이 알츠하이머병의 새로운 치료적 전략이 될 수 있음을 제시하였다.
 
□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은? 
임상적으로 알츠하이머병에 사용되는 약물은 아세틸콜린분해효소 억제제 하나뿐이며, 이 또한 증상완화제이며 근본적인 치료약물은 아니다. 그동안 신경세포의 사멸을 막고, 활성화시키는 연구들이 진행되어 왔지만, 임상시험에서 실패해왔다. 본 연구는 신경세포가 아닌 신경교세포 특히, 미세아교세포의 조절을 통해 아밀로이드 단백질을 줄이는 뇌 환경의 정상화의 가능성을 보여주었다. 이를 바탕으로 신경질환 치료에 한걸음 더 다가갈 것이라 기대하고 있다.
 
□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
본 연구가 진행되는 기간 동안 본 연구에 대한 디스커션이 굉장히 활발히 진행되었다. 특히 연구실 멤버 모두가 모여 연구결과 발표를 하는 자리에서, 본 연구에 직접적으로 참여하지 않은 연구원들도 모두 적극적으로 연구 결과에 대해 의견을 나누었으며 아낌없는 조언을 하였다. 연구실 멤버들 간의 협력과 심도 깊은 디스커션을 통해 좋은 성과를 거둘 수 있었다.   

그림 1.
미세아교세포에 급성으로 베타아밀로이드가 노출되었을 때 세포는 미토콘드리아를 통한 산화적 인산화로 에너지를 만드는 것 보다 에너지 효율이 빠른 해당작용을 선택하는 에너지 대사 재편성과정을 통해 빠르게 활성화가 일어난다. 이런 활성화는 세포 포식작용 (Phagocytosis)을 하여 세포 내 존재하는 응집된 베타아밀로이드를 제거하는 역할을 하며 다양한 염증성 사이토카인을 분비하게 된다. 반면에 만성적으로 베타아밀로이드에 미세아교세포가 노출된 경우에는 정상적인 세포의 대사과정인 미토콘드리아에 의한 에너지 생성이나 해당작용을 통한 에너지 생성 모두가 작용을 하지 못하게 되면서 미세아교세포의 고유기능을 잃어버리게 된다. 이것을 감마인터페론을 주입하여 다시 회복시킬 수 있음을 확인하였다.

그림 2.
베타 아밀로이드의 만성적 노출은 미세아교세포의 대사결손과 그에 따른 기능이상을 야기한다. (a,b) 실시간 세포대사측정을 통하여 베타 아밀로이드에 만성적으로 노출된 미세아교세포에서 해당과정 (a)과 미토콘드리아 산화적 인산화 (b)가 모두 감소하는 대사결손이 나타남을  확인 (lactate: 해당과정의 부산물로서 해당과정의 정도를 확인). (c) 실시간 생체 촬영을 이용하여 유전자 변형 치매 마우스 (5XFAD) 뇌를 관찰 하였을 때 미세아교세포가 손상된 조직으로 몰려드는 반응성이 감소함을 확인 (WT (wild-type): 야생형, red dot: 레이저 조사를 통하여 조직을 괴사시킴으로써 미세아교세포의 반응성 확인 (작은 흰 원 안으로 녹색형광으로 표지된 미세아교세포가 얼마나 몰려드는지 정량)).


그림 3.
감마인터페론 주입은 유전자 변형 치매 마우스 (5XFAD) 뇌 속 미세아교세포의 대사촉진을 야기하고 면역기능을 활성화시킴으로써 알츠하이머병의 증상을 완화한다. (a) 유전자 변형 치매 마우스에 감마인터페론을 주입하자 감소되었던 미세아교세포의 반응성이 회복됨을 실시간 생체 촬영을 이용하여  확인. (b-e) 감마인터페론의 주입은 미세아교세포의 베타 아밀로이드 단백질에 대한 반응성 증가시켜 (b), 치매유발 물질인 베타 아밀로이드 단백질이 감소 (c), 신경세포 사멸의 감소 (d), 저하되었던 유전자 변형 치매 마우스의 인지기능을 회복시킴 (e).