암세포 장벽 분해하는 나노물질로

암 치료의 새로운 장(場) 연다. 

암세포 장벽 분해하는 효소 발현하는 나노물질인 재조합 ‘엑소좀’ 개발

종양 미세환경 리모델링(세포외 기질 분해), 암 치료제 분야 연구에 활용

 

엑소좀*(Exosome)은 세포가 분비하는 세포간 신호전달물질로서 최근 세포 재생 및 치료, 진단 연구의 핵심과제로 떠오르는 나노물질이다. 최근 국내연구진은 암 세포 주변에 두텁고 치밀하게 발현하여 약물전달 및 면역세포의 접근을 방해하는 세포외 기질(extracellular matrix)** 장벽을 효과적으로 분해하는 엑소좀을 개발하여 암 성장을 억제시킬 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 
*엑소좀 : 세포 간 정보교환을 위해 분비하는 나노 사이즈의 막구조를 가진 소포체. 막단백질의 운반체로 유용함.
**세포외 기질(extracellular matrix) : 조직내 또는 세포외의 공간을 채우고 있는 생체고분자의 집합체.

<그림 1> 재조합 인간 히알루로니다아제 (rHuPH20)와 히알루로니다아제 엑소좀 (Exo-PH20)의 효소 활성 비교 및 암세포 주변에 과발현된 히알루론산 분해능 비교.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 테라그노시스연구단 김인산, 양유수 박사 연구팀은 세포외기질 분해 효소인 ‘히알루로니다아제’***(PH20)를 발현하는 엑소좀(Exosome) 개발에 성공했다. 이 ‘효소 엑소좀’은 암 세포 주위의 세포외 기질을 효과적으로 분해하여 약물과 면역세포의 침투를 증가시키고, 종양 동물 모델에서 암 성장을 억제시킬 수 있다.
***히알루로니다아제 : 세포외기질의 주된 성분인 ‘히알루론산’을 분해하는 효소. 본 연구에서 ‘PH20’을 사용.
 

<그림 2> 히알루로니다아제 엑소좀 (Exo-PH20)에 의해 암세포로의 나노입자 및 면역 세포 접근이 증가되었음을 확인.

히알루로니다아제는 세포막 표면에 발현되는 단백질로, 이러한 막단백질은 그 활용 가능성이 높은데도 불구하고 발현 및 정제 조건의 확립이 어렵기 때문에, 막에 결합하는 부분이 절단된 재조합 단백질 상태로 생산된다. 최근 할로자임 테라퓨틱스(Halozyme Therapeutics, Inc.)사에서는 인간에 적용 가능한 ‘재조합 인간 히알루로니다아제(rHuPH20)’을 개발하여 현재 항암 치료를 위한 임상실험을 진행 중에 있다. 그러나 KIST 연구진이 개발한 히알루로니다아제는 엑소좀 막에 결합된 상태이며, 할로자임 테라퓨틱스의 ‘재조합 인간 히알루로니다아제’ 보다 약 3배 정도 효소 활성이 높은 것으로 확인되었다. KIST 연구진이 개발한 ‘효소 엑소좀’은 암세포 성장의 지지기반을 무너뜨려, 암 성장 저해를 유도하였다. 또한 연구진은 효소 엑소좀에 의해 암세포 장벽이 무너지면, 면역세포가 암 조직 내로 침투하는 정도가 향상되며, 항암제(독소루비신)가 암 세포 깊숙이 전달되어 항암 효과를 상승시킬 수 있음을 보였다.

<그림 3> 항암제를 담지한 히알루로니다아제 엑소좀 (Exo-PH20Dox)을 이용한 효과적인 약물 전달

<그림 4> 효소 엑소좀을 이용한 종양 미세환경 리모델링 도식화

KIST 양유수 박사는 “본 연구를 통해 막단백질 치료제로서 엑소좀의 활용 가능성을 제시할 수 있었으며, 개발한 히알루로니다아제를 함유한 엑소좀은 항암(면역) 치료제 및 약물 전달체로 활용이 가능할 것으로 기대한다.”고 밝혔다.
 
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 중견연구자 지원사업과 보건복지부 암정복추진연구개발사업으로 이루어졌으며, 연구결과는 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF : 12.124, JCR 분야 상위 4.73%)에 12월 4일(월)자 온라인에 게재되었다.

 

 * (논문명) Exosome as a vehicle for delivery of membrane protein therapeutics, PH20 for enhanced tumor penetration and anti-tumor efficacy
         - (제1저자) 한국과학기술연구원 홍연선 연구원(박사과정)
         - (교신저자) 한국과학기술연구원(KIST) 김인산 박사, 양유수 박사

 

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암세포 장벽 분해하는 나노물질로

암 치료의 새로운 장(場) 연다. 

- 암세포 장벽 분해하는 효소 발현하는 나노물질인 재조합 ‘엑소좀’ 개발

- 종양 미세환경 리모델링(세포외 기질 분해), 암 치료제 분야 연구에 활용

 

엑소좀*(Exosome)은 세포가 분비하는 세포간 신호전달물질로서 최근 세포 재생 및 치료, 진단 연구의 핵심과제로 떠오르는 나노물질이다. 최근 국내연구진은 암 세포 주변에 두텁고 치밀하게 발현하여 약물전달 및 면역세포의 접근을 방해하는 세포외 기질(extracellular matrix)** 장벽을 효과적으로 분해하는 엑소좀을 개발하여 암 성장을 억제시킬 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 
*엑소좀 : 세포 간 정보교환을 위해 분비하는 나노 사이즈의 막구조를 가진 소포체. 막단백질의 운반체로 유용함.
**세포외 기질(extracellular matrix) : 조직내 또는 세포외의 공간을 채우고 있는 생체고분자의 집합체.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 테라그노시스연구단 김인산, 양유수 박사 연구팀은 세포외기질 분해 효소인 ‘히알루로니다아제’***(PH20)를 발현하는 엑소좀(Exosome) 개발에 성공했다. 이 ‘효소 엑소좀’은 암 세포 주위의 세포외 기질을 효과적으로 분해하여 약물과 면역세포의 침투를 증가시키고, 종양 동물 모델에서 암 성장을 억제시킬 수 있다.
***히알루로니다아제 : 세포외기질의 주된 성분인 ‘히알루론산’을 분해하는 효소. 본 연구에서 ‘PH20’을 사용.

<그림 1> 재조합 인간 히알루로니다아제 (rHuPH20)와 히알루로니다아제 엑소좀 (Exo-PH20)의 효소 활성 비교 및 암세포 주변에 과발현된 히알루론산 분해능 비교.

 히알루로니다아제는 세포막 표면에 발현되는 단백질로, 이러한 막단백질은 그 활용 가능성이 높은데도 불구하고 발현 및 정제 조건의 확립이 어렵기 때문에, 막에 결합하는 부분이 절단된 재조합 단백질 상태로 생산된다. 최근 할로자임 테라퓨틱스(Halozyme Therapeutics, Inc.)사에서는 인간에 적용 가능한 ‘재조합 인간 히알루로니다아제(rHuPH20)’을 개발하여 현재 항암 치료를 위한 임상실험을 진행 중에 있다.

<그림 2> 히알루로니다아제 엑소좀 (Exo-PH20)에 의해 암세포로의 나노입자 및 면역 세포 접근이 증가되었음을 확인.

그러나 KIST 연구진이 개발한 히알루로니다아제는 엑소좀 막에 결합된 상태이며, 할로자임 테라퓨틱스의 ‘재조합 인간 히알루로니다아제’ 보다 약 3배 정도 효소 활성이 높은 것으로 확인되었다. KIST 연구진이 개발한 ‘효소 엑소좀’은 암세포 성장의 지지기반을 무너뜨려, 암 성장 저해를 유도하였다. 또한 연구진은 효소 엑소좀에 의해 암세포 장벽이 무너지면, 면역세포가 암 조직 내로 침투하는 정도가 향상되며, 항암제(독소루비신)가 암 세포 깊숙이 전달되어 항암 효과를 상승시킬 수 있음을 보였다.

<그림 3> 항암제를 담지한 히알루로니다아제 엑소좀 (Exo-PH20Dox)을 이용한 효과적인 약물 전달

KIST 양유수 박사는 “본 연구를 통해 막단백질 치료제로서 엑소좀의 활용 가능성을 제시할 수 있었으며, 개발한 히알루로니다아제를 함유한 엑소좀은 항암(면역) 치료제 및 약물 전달체로 활용이 가능할 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 

<그림 4> 효소 엑소좀을 이용한 종양 미세환경 리모델링 도식화

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 중견연구자 지원사업과 보건복지부 암정복추진연구개발사업으로 이루어졌으며, 연구결과는 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF : 12.124, JCR 분야 상위 4.73%)에 12월 4일(월)자 온라인에 게재되었다.

 

 * (논문명) Exosome as a vehicle for delivery of membrane protein therapeutics, PH20 for

               enhanced tumor penetration and anti-tumor efficacy
         - (제1저자) 한국과학기술연구원 홍연선 연구원(박사과정)
         - (교신저자) 한국과학기술연구원(KIST) 김인산 박사, 양유수 박사

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융합유도 엑소좀(Fusogenic Exosome)을 활용한 세포막 편집 플랫폼 구축
세계 최초 ‘세포막 편집‘ 기술개발로 다양한 질병 치료 가능성 기대

 

생체막(Biomembrane)*은 다양한 생명현상을 정상적으로 유지시키는 필수적인 관문이며, 이러한 생명현상을 조절하기 위해서는 세포막 단백질의 역할이 매우 중요하다. 많은 질병들은 막단백질(Transmembrane Protein)**의 결함, 손상과 관련이 있는데, 최근 국내 연구진이 결함이 있는 세포막에 원하는 단백질을 직접적으로 전달하여 편집·교정하는 기술을 세계 최초로 개발했다.
*생체막(Biomembrane) : 생체 내의 물질 수송, 정보전달을 하는 중요한 역할을 하는 각종 막을 총칭.
**막단백질(Transmembrane Protein) : 물질 수송, 신호 전달 등의 기능을 수행하는 세포나 세포소기관의 
막에 결합된 단백질을 총칭.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 테라그노시스연구단 김인산, 양유수 박사 연구팀은 표적 세포의 세포막에 막단백질을 직접적으로 삽입시키는 ‘세포막 편집’이라는 획기적인 기술을 구현하고자, 엑소좀(Exosome)*** 기반의 새로운 플랫폼을 구축했다고 밝혔다.
***엑소좀 : 모든 세포에서 세포 간 정보교환을 위해 분비하는 나노 사이즈의 막구조를 가진 소포체. 엑소좀은 막단백질의 운반체로 유용함

 

[그림 1] 막에 CD63-GFP을 가진 융합 엑소좀 (위)과 CD63-GFP을 가진 대조군 엑소좀 (아래)을 타겟 세포에 처리한 뒤, 융합의 과정을 통해 타겟 세포막에 CD63-GFP이 전달되었는지를 확인. 융합 엑소좀은 타겟 세포막과 융합하여 CD63-GFP를 세포막에 전달하였지만, 대조군 엑소좀은 타겟 세포막과 융합하지 못하고 세포질 내로 전달되었음을 확인하였다.

 

현재까지, 막단백질 결함을 치료하기 위한 방법으로 유전자 치료, 약물 치료 등이 알려져 있으나, 이는 부작용을 발생시키고, 임상 적용에 제한이 있어 새로운 해결책이 필요한 실정이었다. 또한 세포막에 원하는 단백질이나 지질 등을 대체하거나 삽입하는 등 세포막 자체를 직접적으로 편집•교정하는 기술은 전무했다.
본 연구진은 세포에서 자연적으로 생성하는 나노 입자인 엑소좀 표면에, 융합을 일으킬 수 있는 수포성 구내염 바이러스 G 단백질(VSV-G, Vesicular Stomatitis Virus G Protein)을 표출시켰다. 연구진은 수포성 구내염 바이러스 G 단백질 뿐만 아니라 포도당 수송체가 동시에 표출된 엑소좀을 개발하여, 효과적으로 근육세포의 막에 포도당 수용체를 전달할 수 있음을 실험을 통해 확인하였다. 이 포도당 수용체는 엑소좀으로부터 표적 세포막에 전달되었을 때, 수용 세포의 포도당 흡수를 증가시키는 기능을 수행하였고 연구진은 융합 유도 엑소좀을 통해 표적 세포막 표면으로 전달된 막단백질이 본래의 기능을 수행한다는 점을 규명하였다.

 

<그림 2> 융합 엑소좀과 대조군 엑소좀을 이용하여 막단백질인 포도당 수용체-4 (GLUT-4)을 근육 세포막에 전달하였을 때, 전달된 막단백질의 포도당 흡수 기능 비교 대조군 엑소좀에 비해, 융합 엑소좀은 포도당 수용체-4를 효과적으로 세포막에 전달하였고, 전달된 막단백질은 세포내로 포도당 흡수를 더 많이 한다는 것을 확인하였다.

 

또한 이번에 개발된 플랫폼으로 포도당 수용체 외에 다른 치료용 막단백질 역시 표적 세포막에 전달 가능하여, 막의 특성을 다른 세포의 세포막에 전달할 수 있는 엑소좀의 특성을 실험을 통해 규명함으로서 세계 최초로 융합 유도 엑소좀을 이용하여 막단백질을 표적세포에 전달하는 세포막 편집 기술을 구현했다.

양유수 박사는 “다양한 질병의 원인이 세포막 단백질과 관련되어 있음에도 불구하고, 막단백질의 손상, 결함을 회복시킬 수 있는 방법은 거의 없었다.”라며, “이번 연구를 통해, 엑소좀이 다양한 질병의 치료 플랫폼으로 활용 가능한 점을 보여준 것”이라고 밝혔다.   

<그림 3> 융합 엑소좀을 이용한 세포막 편집 기술 도식

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)지원으로 KIST 기관고유사업과 보건복지부 암정복사업의 일환으로 수행되었으며, 세계적으로 권위 있는 과학지인 ‘Advanced Materials’ 2017년 2월 6일(월)자 온라인판에 게재되었다.

 

 * (논문명) Virus-Mimetic Fusogenic Exosomes for Direct Delivery of  Integral Membrane Proteins to Target Cell Membranes
            - (제1저자) 한국과학기술연구원 양유수 박사
            - (교신저자) 한국과학기술연구원 양유수, 김인산 박사

 

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