동맥에 퇴행성 변화가 일어나면서 혈관이 좁아지고, 탄력이 떨어지는 동맥경화는 나이가 들수록 발병하기 쉬운 질환이다. 최근에는 생활습관 변화로 인해 젊은 나이에 발생하거나, 증상이 없는 뇌혈관 동맥경화 환자가 늘고 있는 추세다. 정확한 진단이 치료와 예방에 중요하다는 의미다.

동맥경화 진단 정확성을 높일 수 있는 새로운 기술이 나왔다. 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 복잡계 자기조립 연구단(단장 김기문) 장영태 부연구단장(포항공대 화학과 교수) 팀은 IBS 유전체 교정 연구단의 김진수 수석연구위원 팀 및 싱가포르 연구진 등 국제 공동연구를 통해 활성화대식세포만을 선택적으로 염색하는 형광물질 'CDg16(Compound Designation green 16)'을 발견했다.

체내 면역을 담당하는 대식세포(macrophage)는 염증반응의 신호탄으로 불린다. 체내 침입 물질을 감지했을 때 대식세포가 활성화대식세포로 분화하며 항원을 만들어내기 때문이다. 동맥경화는 물론 알츠하이머병, 간염, 암 등의 질환을 유발하는 정확한 염증부위를 파악하기 위해서는 활성화대식세포가 가장 좋은 타겟이 될 수 있다.

생체 내에서 활성화대식세포를 얼마나 선별적으로 정확히 검출해낼 수 있는지가 염증질환의 정확한 진단 및 치료의 관건이 된다. 하지만 활성화대식세포만을 선택적으로 염색하는 탐지기(probe) 개발은 어려운 과제다. 기존 개발된 유수의 형광분자들은 생체 내 활용이 어려워 살아있는 조직에서 활성화대식세포를 선별하는 데 한계가 있었다.

장영태 부연구단장 팀은 자체개발한 8200여 종류의 형광 유기 분자 라이브러리를 탐색해, 활성화대식세포만을 선택적으로 염색하는 화합물을 찾아내고, CDg16이라 명명했다. 아울러 CDg16이 활성화대식세포 내 리소좀¹⁾을 염색하고, 세포독성이 거의 없다는 것을 검증했다.

이어 동맥경화를 유발시킨 실험쥐를 활용해 CDg16의 효능을 검증했다. 동맥경화 모델로는 비만, 동맥경화, 심혈관질환, 치매 등을 유발한다고 알려진 ApoE 유전자 제거(knock-out) 동물을 사용했다. 이후 동맥경화 생쥐의 꼬리정맥으로 CDg16을 주사했다. 면역화학염색법²⁾을 통한 검증 결과, CDg16이 생쥐의 죽상경화판³⁾에서 활성화대식세포를 선택적으로 염색하는 것을 확인했다. 실험에 활용된 생쥐의 경우 죽상경화판이 동맥경화를 유발한 정확한 염증부위라는 의미다.

일반적으로 특정 염증부위를 이미징하기 위한 약물이나 탐지기는 선택적으로 결합하는 타겟 단백질이 있다. 연구진은 다른 탐지기들과 달리 이번에 개발한 CDg16은 특정한 결합단백질이 없어도 세포 내에서 운반되는 것을 발견했다. 우리 몸 속 세포에는 약 450개 정도의 막운반체가 있는 것으로 알려져 있는데, 연구진은 이 중 물질을 세포내로 운반하는 SLC 단백질 중에 CDg16을 전달하는 시스템이 있을 것으로 예상했다.

이를 증명하기 위해 IBS 유전체 교정 연구단과 함께 추가 실험을 진행했다. 연구진은 특정 유전자 발현을 활성화시킬 수 있는 활성크리스퍼 시스템(CRISPRa system)을 이용해 380여 개의 SLC 유전자가 무작위하게 과발현시켰다. RNA 염기서열 분석으로 확인한 결과, 기존에 기능이 알려지지 않았던 SLC18B1 유전자가 CDg16 염색에 관여한다는 메커니즘을 새로 규명했다.

기존 탐지기들처럼 특정 단백질 하나와 결합하며 선택성을 획득하는 것이 아니라, 활성대식세포에서 과발현된 SLC18B1 막운반체를 통해 CDg16이 활성화대식세포에 직접 들어가서 염색한다는 것이다. 이는 기존 탐지기들과 전혀 다른 새로운 메커니즘으로 한 단백질 타겟에 하나씩 붙는 기존 방식에 비해 막운반체는 다수의 탐지기를 수송할 수 있으므로 더 뚜렷한 신호를 관찰할 수 있다는 장점이 있다.

장영태 부연구단장은 "IBS 연구단 간의 공동연구를 토대로 고속효율 스크리닝과 유전자 조작 기술을 결합한 결과 이같은 성과를 올릴 수 있었다"며 "활성화대식세포를 선택적으로 염색하는 형광물질은 향후 다양한 염증성 질환의 진단 및 약물 개발을 견인할 것"이라고 말했다.

연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.353) 온라인 판에 3월 7일 19시(한국시간)에 게재됐다.

그림설명

▲ [그림1] 활성화대식세포를 선택적으로 염색하는 형광물질 개발연구진은 자체 개발한 8200여 개의 형광 유기 분자 라이브러리를 스크리닝해 활성화대식세포를 선택적으로 염색할 수 있는 새로운 형광물질 CDg16을 발견했다(a). 세포주(b, 왼쪽) 및 동물유래(b, 오른쪽) 활성화대식세포가 CDg16에 의해 염색되어지는 모습을 관찰할 수 있다(b).

▲ [그림2] 동물실험을 통한 CDg16 효능 확인연구진은 동맥경화를 유발시킨 실험쥐를 제작하고, 실험쥐의 꼬리를 통해 CDg16을 주사했다(a). 실험쥐의 발에서 CDg16과 활성화대식세포 마커인 CD86 항체가 동시에 염색되는 양상을 보여주고 있다(b).

▲ [그림3] 동맥경화 동물모델에 CDg16 적용한 모습CDg16을 꼬리정맥 주사한 뒤(a) 동맥활 근처의 죽상경화판에서 CDg16이 염색됨을 관찰했다(b). 적출한 대동맥들 중에서, 동맥경화 모델에 CDg16을 주사한 대동맥에서만(맨 오른쪽) CDg16이 염색된 부위가 보이는 것을 확인했다.

▲ [그림4] 활성화크리스퍼 시스템을 이용한 CDg16 작용기전 규명물질을 세포내로 운반하는 SLC를 과발현시키는 활성화크리스퍼시스템 구축을 위한 모식도(a). 후보물질 중 SLC18B1 만이 CDg16에 반응하는 것을 확인했다(b). 결과적으로 CDg16이 활성화대식세포를 선택적으로 염색하는 것은 세포내 리소좀에 있는 SLC18B1이 과발현되며 나타나는 것으로 밝혀졌다(c).