암 탐지와 표적 치료까지 가능한 항암 생균치료제 개발
- 종양 세포외 기질 분해 효소를 함유한 약독화 살모넬라균 개발…암 표적화 후 항암물질을 종양 내부까지 침투시켜 항암치료의 효과 향상
- 암 탐지와 표적 치료까지 가능한 마이크로바이옴 기반 박테리아 생균을 이용한 항암치료제 개발 기여 기대
국내 연구진이 기존 항암치료의 부작용과 한계를 대폭 개선한 표적 항암 생균 치료제를 개발하였다.
한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 생물자원센터 박승환 박사 연구팀은 종양 세포외 기질 분해 효소를 함유하여 암 종양 조직에 약물 침투성을 높여 항암치료의 효과와 효율성이 모두 향상된 항암 생균 치료제 개발에 성공하였다고 밝혔다.
향후 이를 활용한 마이크로바이옴 기반의 표적 항암치료제 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
항암치료에 흔히 이용하는 약물치료나 방사선치료는 암세포뿐만 아니라 정상 세포에도 손상을 주거나, 과도한 사이토카인의 분비를 일으킨다는 단점이 있다.
이런 단점을 극복하기 위해 정상 세포에는 독성을 일으키지 않는 치료법이 연구되고 있으며, 그중 하나가 암을 표적 치료할 수 있는 박테리아를 이용한 항암 치료법이다.
약독화(弱毒化) 살모넬라균은 암 조직에 강한 친화성을 가지고 있으며, 정상조직보다 암 조직에서 약 10만 배 정도 더 많이 증식한다고 알려져, 원하는 암세포를 표적화할 수 있고 독성을 약화한 박테리아에 항암물질을 함유시켜 전달하는 연구가 폭넓게 진행되고 있다.
그러나 약독화 박테리아가 암을 탐지하여 표적화함에도 불구하고 박테리아에 함유된 항암물질이 암 종양을 둘러싸고 있는 종양 세포외 기질을 통과하지 못해 항암치료의 효율성이 낮다는 단점과 함께 항암제 투여 시 암세포 간 압력에 의해 항암제가 종양 안쪽까지 전달되지 못한다는 한계가 있다.
이에 연구팀은 종양 세포외 기질을 분해할 수 있는 효소를 함유한 약독화 살모넬라균을 개발하였다.
박테리아가 암을 표적화하면 종양 세포외 기질의 주요성분인 히알루론산을 분해할 수 있는 히알루로니다아제 효소를 종양세포에 분비하여 세포외 기질의 경계를 허물어 약물 침투성이 높아져 항암물질이 종양 내부까지 침투할 수 있어 항암치료의 효과를 높일 수 있다는 것이다.
연구팀은 췌장암과 유방암에 걸린 마우스 동물모델 실험을 통해 개발한 살모넬라균이 암세포의 성장 억제와 사멸이 진행되었으며 면역반응이 나타남을 확인하였다.
연구책임자인 박승환 박사는 “암 탐지 및 표적 박테리아에 종양 세포외 기질 분해 효소를 발현시켜 종양 조직의 와해를 유도함으로써 지금까지 한계로 꼽혀온 종양 조직 약물 침투성과 방사선 치료침투 한도 등을 극복해 항암 복합치료제로서의 사용 가능성이 기대된다.”라며,
“이번 연구를 통해 개발된 엔지니어링 박테리아는 효과적인 암 탐지 및 표적, 항암물질과 같은 다양한 치료물질의 효율적인 전달체로 항암치료 효과를 증대시킬 것이며, 이번 연구를 기반으로 한국인 마이크로바이옴 뱅크에서 우수한 항암 표적 박테리아를 발굴하여 마이크로바이옴 기반 항암 생균치료제 개발에 기여하겠다.”라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 약물전달시스템 분야의 세계적인 저널인 Journal of Controlled Release(IF 11.467) 3월호의 표지 논문으로 선정되었으며,
(논문명 : ECM-targeting bacteria enhance chemotherapeutic drug efficacy by lowering IFP in tumor mouse models(ScienceDirect)/ 교신저자 : 박승환 박사 / 제1저자 : 김지선 박사)
과기정통부 바이오‧의료기술개발사업, 생명연 주요사업, 산업부 산업핵심기술개발 사업의 지원으로 수행되었다.
연 구 결 과 개 요
□ 연구배경
○ 현재 사용되고 있는 항암약물 치료 및 방사선치료의 가장 큰 문제점은 암세포뿐 아니라 정상 세포에도 작용한다는 것이며, 특히 항암약물 치료는 불가피한 전신독성 및 약제 내성의 한계를 가진다. 따라서 부작용이 심해 약물과 방사선 농도를 높이는 데 한계가 있다.
○ 기존의 항암요법의 부작용을 극복하고자 암 표적능을 가진 약독화 박테리아를 이용한 항암치료 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 이들 박테리아는 생체 내에 주입되었을 때 정상조직에 비해 종양 조직에 1000배 이상 존재할 정도로 표적능이 우수하다.
○ 그러나, 약독화 박테리아의 우수한 암 표적능에도 불구하고 몇 가지 문제점들이 대두되었다. 첫째, 종양 표적 박테리아가 저산소·종양 괴사 부위에만 서식하고 증식한다는 점, 둘째, 박테리아에 탑재된 항암물질이 종양 조직을 둘러싸고 있는 종양 세포외 기질을 통과하지 못해 항암치료의 효율성이 낮다는 문제이다.
□ 연구내용
○ 본 연구팀은 박테리아를 이용한 항암치료의 한계를 극복하고자 유전공학기술을 이용하여 박테리아에 종양 세포외 기질의 주요성분인 히알루론산(Hyaluronic acid)을 분해할 수 있는 히알루로니다아제(Hyaluronidase) 효소 유전자를 탑재하여 종양 세포외 기질 분해능 박테리아를 개발하였다.
○ 종양 세포외 기질 분해능 박테리아를 췌장암 혹은 유방암이 이식된 쥐에 주입하고 암에 표적이 되었음을 확인한 후, Hyaluronidase 발현을 유도해 종양 세포외 기질이 분해됨을 확인하였다. 이후, 동물모델에서 종양 세포외 기질 분해능 박테리아와 항암물질을 함께 주입 시, 탁월한 종양 치료 효과를 보임을 확인하였다.
○ 종양 세포외 기질 분해능 박테리아가 암 동물모델에 주입되었을 때, 종양 간 유체압력이 감소하고 암세포의 성장 억제 및 세포사멸기작이 진행되고 면역반응이 유도되었음을 확인하였다.
○ 이는 박테리아가 분비한 종양 세포외 기질 분해효소가 종양 간 유체압력이 감소하여 암 표적 제한 부위의 경계를 허물어 종양 조직 약물 침투성을 증가시켜 항암물질이 종양 내부까지 침투할 수 있게 함으로써 항암치료 효과를 증대시켰음을 의미한다.
○ 종양 세포외 기질 분해능 박테리아를 종양 동물모델에 주입하였을 때, 간독성을 포함한 전신독성 및 종양 전이는 관찰되지 않았다.
□ 연구성과의 의미
○ 암 표적 박테리아에 종양 세포외 기질 분해 효소 탑재시킴으로써 종양 조직 약물 침투성을 증가시키고 항암치료의 효율성과 치료 효과를 증대시킬 수 있는 새로운 항암 생균 치료제를 개발함
○ 암 표적 박테리아를 이용함으로써 암 조직 이외의 정상조직 세포의 피해를 최소화함으로써 기존 항암치료의 단점을 극복할 수 있음
○ 전신독성, 암 전이 및 면역계 이상과 같은 부작용이 관찰되지 않았음
○ 본 개발의 상용화 시, 박테리아를 이용하므로 기존 항암치료보다 경제적임
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
1. 종양 세포외 기질 분해 효소 탑재 항암 생균치료제 개발
2. 항암제 약물이 종양 조직에 침투할 수 있도록 용이
3. 종양조직 표적용 항암 생균제 개발
어디에 쓸 수 있나
암 탐지 및 표적 치료능 박테리아 생균을 이용한 항암 치료제 개발에 기여
실용화까지 필요한 시간은
암 치료는 수술, 방사선치료, 항암제 치료 등 많은 방법이 있으나 아직 암 때문에 많은 사람이 고통을 받고 있음. 그러나 이 기술로 인해 새로운 암 치료 방법을 제시하였기 때문에 다소 실용화까지는 시간이 걸릴 예정임.
실용화를 위한 과제는
실용화를 위해서는 박테리아의 안전성 문제 및 종양 내 직접 주입하는 방법 등 다양한 투여 방법에 대한 과제가 수행되어야 함
연구를 시작한 계기는
보통 암 치료에 쓰이는 항암제는 암 조직 내 세포 간의 간극이 치밀하게 구성되어 있으므로 깊이 침투하기가 어려움 그래서 암 조직에 표적 하는 박테리아를 이용하여 조직 내 세포 간의 간격을 느슨하게 만들고 항암제의 효과를 성공적으로 많이 높이는 결과를 얻을 수 있었음.
에피소드가 있다면
이 연구를 진행하기 위해서는 많은 종양 동물모델을 이용하여 실험하였다. 종양 동물모델을 만들기 위해서 많은 암세포의 수가 필요했으며, 동물윤리 및 복지에 대한 교육 및 실험도 강화되어 연구를 수행하는 데 어려움이 있었음.
꼭 이루고 싶은 목표는
이 기술을 기반으로 암 표적/치료능이 있는 장내 마이크로바이옴 유래 박테리아를 발굴하고 개발하여 안전하고 효과적인 암 치료제 연구에 기여하고자 함.
신진연구자를 위한 한마디
본인의 연구가 당장 실생활에 유용한 연구가 아닐지라도 하나의 큰 집이 만들기 위해서는 튼튼한 벽돌을 쌓듯이 한 발짝 나아가다 보면 국민과 사회에 이바지할 수 있는 연구가 되리라 생각합니다. 또한, 융복합 연구를 위한 다양한 교류를 통하여 새로운 융합 연구 분야에 힘쓰기를 응원합니다.
그림1. Journal of Controlled Release지 표지 선정(355권, 2023.3.)
종양 세포외 기질 분해 효소를 함유한 약독화 살모넬라균의 암 탐지 및 표적 치료 모식도
그림2. 히알루로니다아제(HAase) 활성 측정
a) 형질전환된 세균(SLHAase 또는 SLlux/HAase)에서 L-아라비노스에 의해 히알루로니다아제의 발현이 유도되어 히알루론산(HA)를 분해함을 HA plate에서 clear zone 생성과 IVIS 이미지로 확인함
b) 조작된 박테리아의 HAase 활성의 정량 분석
그림 3. 히알루로니다아제(HAase) 발현 박테리아에 의한 생체 내 히알루론산(HA) 분해
L-아라비노스에 의해 SLlux/HAase에서 HAase의 발현이 유도되어 종양 세포외 기질의 HA이 분해됨을 확인
그림 4. 유방암 마우스 모델(4T1)과 췌장암 마우스 모델(ASPC-1)의 종양 조직에서 종양 세포외 기질 분해 효소 함유한 치료제에 의한 종양 간 유체 압력(IFP)의 변화
HAase 발현 박테리아(SLlux/HAase)에 의해 4T1과 ASPC-1 종양 마우스의 종양 내 IFP가 크게 감소됨을 확인
그림 5. 유방암 마우스 모델(4T1)에서 종양 세포외 기질 분해 효소 함유한 치료제의 향상된 항암치료 효과 확인
4T1 종양 마우스에서 HAase 발현 박테리아(SLlux/HAase)와 항생물질인 독소루비신을 함께 주입했을 때 종양 억제 효과가 증대됨
그림 6. 췌장암 마우스 모델(ASPC-1)에서 종양 세포외 기질 분해 효소 함유한 치료제의 향상된 항암치료 효과 확인
ASPC-1 종양 마우스에서 HAase 발현 박테리아(SLlux/HAase)와 항생물질인 독소루비신을 함께 주입했을 때 종양 억제 효과의 증대됨
그림 7. 췌장암 마우스 모델(ASPC-1)에서 종양 세포외 기질 분해 효소(SLlux/HAase)에 의한 종양억제 효과 메커니즘
HAase 발현 박테리아(SLlux/HAase)는 CD44의 발현을 감소시켜 HA와 CD44의 결합을 억제하여 종양세포의 증식(Ki-67)과 세포사멸(TUNEL)을 유도함. HAase 발현 박테리아(SLlux/HAase)와 항생물질인 독소루비신을 함께 처리하였을 때 그 효과는 증대됨
의학약학 초가을 (2023-03-21)