용혈성 요독 증후군의 급성 신장 손상 기전 규명
- 용혈성 요독 증후군을 유발하는 단백질 독소의 신장 손상 및 전신 염증 촉진 기전 최초 확인
- 용혈성 요독 증후군 제어기술 확보로 향후 치료제 개발 가능성 제시
국내 연구진이 장(腸) 출혈성 대장균에서 분비되는 단백질 독소가 비정상적인 단백질 변형을 유발하여 합병증인 용혈성 요독 증후군의 신장 손상 및 전신 염증을 촉진함을 최초로 규명하였다. 이를 바탕으로 용혈성 요독 증후군에 대한 제어기술을 확보함으로써 향후 치료제 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
한국생명공학연구원(이하 생명연) 환경질환연구센터 이무승 박사팀(교신저자: 이무승 박사, 제1저자: 이경수 석박사통합과정)과 감염병연구센터 박성균 박사팀(교신저자: 박성균 박사)이 공동 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 교육부 이공분야기초연구지원사업과 과기정통부 신진연구자지원사업의 지원으로 수행되었고, 유럽 분자생물학회가 발행하는 의생물학 분야의 저널인 EMBO Molecular Medicine(IF 12.137) 11월 29일자(한국시각 11월30일) 온라인 판에 게재되었다.
(논문명 : Inhibition of O-GlcNAcylation protects from Shiga toxin-mediated cell injury and lethality in host, https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/emmm.202114678)
식중독대장균에 의한 감염성질환의 일종인 장 출혈성 대장균 감염증(Enterohemorrhagic Escherichia coli infections)은 2000년 제2급 법정 감염병으로 지정된 이후, 꾸준히 발병률이 증가하고 있으며, 최근 기후변화 이슈와 맞물려 감염률이 더욱 증폭될 것으로 예측되고 있다.
해당 감염병은 주로 대장균에 오염된 다진 고기나 야채를 제대로 익히지 않고 섭취하거나, 살균되지 않은 우유 또는 오염된 칼과 도마로 조리한 음식 등을 통해 감염이 이루어진다.
장 출혈성 대장균에서 분비되는 단백질 독소인 시가독소는 신장(콩팥)의 심각한 세포괴사 및 전신 염증반응을 일으키고 이로 인한 신장의 기능 저하는 용혈성 요독 증후군(Hemolytic Uremic Syndrome, HUS)을 유발하게 된다.
* 시가독소 : 장 출혈성 대장균이 병원체 외부로 뿜어내는 대장균 독성 단백질로서 장, 콩팥, 중추신경계 등 인체 중요 장기의 기능에 장애를 직접적으로 유발하는 독소
신장은 노폐물을 배설하고 체내 항상성 유지에 중요한 장기로 신장의 기능 저하 시 체내 불순물을 제대로 거르지 못해 각종 합병증에 쉽게 노출된다.
출혈성 장염 증상이 용혈성 요독 증후군으로 악화될 경우 빈혈, 혈소판감소증, 급성신부전 등의 합병증이 발생하게 되며, 주로 10세 미만의 영유아에게서 발병률이 높고 치명률은 약 5~10%인 것으로 알려져 있다.
장 출혈성 대장균 감염증은 일반적인 세균성 질환과 달리 세균 사멸을 위해 항생제를 사용하면 세균이 죽으면서 과량의 독소가 분출되어 용혈성 요독 증후군으로 악화될 우려가 있기에 항생제 치료가 제한되어야 하지만 정밀한 진단이 어려운 것이 사실이다.
용혈성 요독 증후군은 적절한 예방법이나 치료제가 개발되어 있지 않으며, 신장 기능이 손상된 이후에는 투석, 수혈 등의 조치가 이루어지는 것이 전부이기에 명확한 병리기전 규명 및 치료기술 개발이 시급한 실정이다.
연구팀은 시가독소에 노출된 숙주 세포는 단백질 변형의 일종인 오글루넥당화(O-GlcNAcylation) 수치가 비정상적으로 상승하는 현상을 새롭게 발견하였다. 또한 오글루넥당화 수치의 비정상적 상승이 용혈성 요독 증후군을 촉진하는 역할을 한다는 것을 최초로 규명하였다.
이를 바탕으로 연구팀은 오글루넥당화를 통제함으로써 숙주의 세포괴사 및 염증반응을 동시에 억제할 수 있음을 다양한 세포주 모델을 통해 확인하였다. 또한 시중의 오글루넥당화 저해제를 활용하여 용혈성 요독 증후군 질환에 대한 치료 효과를 마우스 동물모델과 3차원 인간 신장 배양 모사체(3D-human kidney organoids)를 통해 증명하였다.
이런 결과는 시가독소에 의해 유도되는 신장 기능 저하 및 전신 염증 반응을 동시에 제어할 수 있는 상위 세포신호인자를 규명한 것이라고 할 수 있으며, 용혈성 요독 증후군 치료제 개발의 플랫폼 기술을 확보함으로써 향후 치료제 개발의 중요 실마리를 제시한 것이라고 할 수 있다.
연구책임자인 박성균 박사는 “이번 연구 성과는 세균에서 분비되는 독소가 숙주세포의 특정 단백질 변형 기전을 비정상적으로 자극하여, 그 하위의 다양한 병인기전을 동시에 활성화 시킨다는 사실을 최초로 규명한 것”이라고 밝혔으며, 공동연구책임자 이무승 박사는 “우리 실생활 먹거리나 많은 농식품 재료에 오염될 수 있는 대장균 중 일부가 외부로 배출하는 치명적 독소로 인해 유발되는 장 출혈 동반 식중독과 그의 합병증인 급성 신장 장애 치료제 개발의 기반이 될 수 있을 것이다”고 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
□ 연구배경
○ 장 출혈성 대장균 감염증은 Shiga toxin-producing E.coli(STEC)으로 분류된 식중독 대장균에 오염된 고기나 야채를 제대로 익히지 않거나, 오염된 칼과 도마로 조리한 음식 등의 섭취를 통해 주로 감염이 이루어지며, 본 대장균 감염증에 의해 유도되는 용혈성 요독 증후군(Hemolytic Uremic Syndrome, 이하 HUS)은 대장균에서 분비된 시가독소에 의해 노폐물을 배설하고 체내 항상성을 유지하는 기능을 하는 중요한 장기인 신장(콩팥)에 괴사가 일어나 불순물을 제대로 걸러주지 못하고 체내에 쌓이면서 발생하게 된다. 심할 경우 과염증성 물질 체내 생성(싸이토카인 폭풍)을 동반한 급성 신부전증이 나타나며 혼수․마비 증상까지 이어지기도 한다.
○ 해당 질환은 항생제 처리의 임상적 유효성이 없음이 밝혀져 있으며, 특히 HUS는 5~9세 이하의 유아·어린이들에게 집중된 법정 감염질환으로써 현재는 완치 가능한 치료법이나 저해제 등이 개발되어 있지 않아, 신부전증 발병 이후 주로 혈액투석에 의지하거나 평생 신장 장애를 안고 살아가게 된다.
○ HUS유발의 핵심 병 인자인 장 출혈성 대장균이 분비하는 시가독소는 인체 내 장점막 세포를 손상시킨 후 혈액을 통해 신장 상피세포 표면의 지질 수용체(Gb3)에 특이적으로 결합하여 신장 내로 침투하여 신장괴사를 유발하는 것으로 알려져 있다.
○ 현재 시가독소를 제어하기 위해 가장 많이 쓰이고 있는 신장 투석이나 혈액 세척 등의 방법은 시가독소가 신장 세포 내로 침투한 뒤에는 효과적이지 않기에 치료에 한계가 있어왔다. 따라서 보다 명확한 기전규명과 정밀한 치료기술개발이 필요한 상황이었다.
○ 오글루넥당화(O-GlcNAcylation)란, 인체 조직 내 모든 세포에 존재하는 단백질 변형 기전의 일종이며, 항상성 유지가 매우 중요하다. 지금까지 약 4,000종 이상의 오글루넥당화 표적 단백질이 밝혀져 있으며, 이들 단백질들은 세포 내 모든 작용 기전에 관여된 중요 세포 신호 인자들로 알려져 있다.
○ 따라서 오글루넥당화의 항상성이 붕괴될 경우, 표적 단백질들에 대한 비정상적인 변형 작용으로 인해 각종 암 발생의 원인이 될 뿐만 아니라 신경(알츠하이머, 파킨슨병), 대사(비만, 당뇨), 면역(자가면역, 과염증) 관련 다양한 질환의 발병 원인이 되는 것으로 알려져 있다.
○ 오글루넥당화 기전과 미생물 감염성 질환을 연계한 연구는 매우 제한적으로 이루어져 왔으며, 본 연구의 주요 연구 주제인 시가독소 또는 HUS 질환 등과 관련된 연구는 전혀 알려진 바가 없었다.
□ 연구내용
○ 본 연구팀은 장 출혈성 대장균에서 분비되는 시가독소가 인체 내 신장 세포에 침투하여 단백질의 오글루넥당화를 비정상적으로 활성화시키고, 이를 통해 신장 괴사 및 염증반응을 유도한다는 신규 병인 기전을 최초로 규명하였다.
○ 이를 토대로 연구팀은 시가독소에 의해 비정상적으로 증가된 세포 내 오글루넥당화 레벨을 저해함으로써 숙주의 세포괴사 및 염증반응을 동시에 억제할 수 있음을 다양한 세포주 모델을 통해 확인하였으며, HUS 질환에 대한 치료 효과를 동물(마우스)모델을 통해서도 증명하였다.
○ 특히 연구팀은 이번 연구를 통해 3차원 인간신장배양모사체(3D-human kidney organoids) 기반 시가독소 병인기전 평가 모델을 최초로 확립하였다.
○ 이는 인체와 유전적, 생물학적 특성 면에서 차이가 있는 동물 모델의 한계를 극복하고, 사람을 대상으로 한 본 임상에 앞서 인간 장기 모사체를 활용하여 HUS 질환 치료 후보 약물의 안전성 및 효능을 확인할 수 있는 플랫폼 기술을 확보하였다는데 큰 의의가 있으며, 오글루넥당화 저해제를 통해 이를 입증하였다.
○ 즉, 본 연구의 성과는 장출혈성대장균의 시가독소가 인체 내 침투하였을 때 활성화되는 숙주 세포의 병인 기전을 동시다발적으로 제어할 수 있는 상위 기전을 규명한 것이며, 이를 통해 아직 명확한 치료제가 개발되어 있지 않은 HUS 질환에 대한 효과적인 치료제 개발의 가능성을 제시하고 있다.
□ 연구성과의 의미
► 시가독소의 새로운 병인기전 규명 : 시가독소에 의해 유발되는 HUS 질환의 치료제 개발 및 원천기술 연구 활용기대
○ 본 연구에서 최초로 확인한 시가독소에 의한 숙주 세포 내 오글루넥당화의 비정상적 증가 현상은 시가독소를 포함하여 세균에서 분비되는 다양한 독소 물질에 대한 병인기전을 이해하는데 폭넓게 활용될 수 있는 원천 연구 결과라고 사료된다.
○ 이에 더해 이번 연구를 통해 밝히게 된 신규기전은 기존에 시가독소에 의해 활성화되는 것으로 알려진 다양한 병인기전의 최상위에 위치하기 때문에, 본 신규기전의 제어를 통해 하위 병인기전들을 동시에 억제할 수 있다는 큰 장점이 있다. 기존에는 급성 신장 기능 장애를 제어할 적절한 임상적 처치 방법이 없었으나 본 연구결과에 따르면 감염 후 장출혈을 동반한 신장손상을 억제하여 HUS 병리진행이 늦춰질 수 있는 실마리를 제공하였다. 따라서 아직까지 명확한 치료제가 없는 HUS 질환의 효율적인 치료제 개발에도 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
○ 비만이나 당뇨와 같은 만성 대사질환 환자는 각종 장기의 오글루넥당화 레벨이 비정상적으로 상승되어 있는 것으로 알려져 있다. HUS는 아직 면역력이 완성되어 있지 않은데다가 시가독소를 받아들이는 수용체 발현마저 높은 것으로 알려진 영유아에게서 발병 비율이 매우 높은 것으로 나타난다. 따라서 향후 본 연구 결과를 바탕으로 소아비만이나 소아당뇨 환자가 HUS 질환 발병에 취약한 이유를 오글루넥당화와의 상관관계를 통해 밝힐 수 있을 것으로 기대된다.
► 인간 신장 배양 모사체 기반 시가독소의 동물실험 대체 전임상 약물평가 모델 확립
: 시가독소에 의해 유발되는 HUS 질환 치료 후보 선도물질을 평가하는 플랫폼 기술 활용 기대
○ 본 연구 수행 과정에서 확립된 인간 신장 배양 모사체 기반의 시가독소 병인기전 제어 기술 평가 모델은 향후 동물 모델을 대체하는 플랫폼 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 많은 치료약물 후보들이 동물 모델에서의 효과와 달리 실제 임상에서는 치료 효과 및 독성의 차이로 인해 실패하는 경우가 잦아 인간 인공장기 모델을 기반으로 효능 검증을 대체하고 있는 추세이기에, 본 시스템은 시가독소에 의해 유발되는 HUS 치료제 개발에 있어 더욱 효과적인 평가 시스템이 될 수 있을 것으로 사료된다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
1. 기존 시가독소 관련 병인기전 연구의 대다수가 세포괴사 또는 염증반응에 관여되는 세부적인 기전 연구에 국한되어 있었기에 효율적인 치료제 개발로 이어지지 못했지만, 이번 연구에서 새롭게 밝힌 신규기전은 기존 알려진 병인기전들을 아우르는 상위 기전으로써 본 신규기전의 제어를 통해 다양한 병인기전을 동시에 억제할 수 있다는 장점이 있음.
2. 기존 연구들의 결과가 대부분 세포주 모델을 기반으로 하고 있으며, 일부 전임상 단계로 동물(마우스)모델에서 효과적인 치료기술이 제시가 되었지만 결국 본 임상에서는 모두 실패하였음. 본 연구는 세포주부터 동물모델 뿐 아니라 인체 시스템과 더욱 유사한 인간신장장기모사체 기반에서도 치료 효능을 검증하였기에 가장 포괄적이고 효과적인 치료제 개발 가능성을 제시하였다고 사료됨.
어디에 쓸 수 있나
1. 오글루넥당화 저해제: HUS 질환에 대한 치료제 개발
2. 인간신장장기모사체 기반 평가 시스템: HUS질환 표적 치료 후보 약물 스크리닝
실용화까지 필요한 시간은
본 연구에서 사용된 오글루넥당화 저해제는 아직 인체 안전성이 검증되지 않은 물질이나 인간 신장 장기모사체에 대한 직접적인 처리에서 별다른 독성 반응을 보이지 않았기에 가까운 시일 내에 HUS 질환에 대한 치료 효능 검증을 위한 임상도 가능하다고 판단됨. 이에 더해 계속해서 오글루넥당화 저해제가 개발되고 있기 때문에 본 연구의 성과를 바탕으로 신규 저해제에 대한 HUS 질환 치료제로서의 가능성을 평가해볼 수 있을 것으로 예상함.
실용화를 위한 과제는
오글루넥당화의 항상성 붕괴는 다양한 질병의 원인으로 많은 연구가 이루어져왔으나 아직까지 치료제 개발로 이어진 사례가 없음. 그것은 오글루넥당화의 항상성 붕괴가 확인된 질환 대부분이 만성적인 질환이기에 오글루넥당화를 조절하는 약물을 장기간 투여해야하고 이로 인해 일반 세포의 오글루넥당화 항상성에 악영향을 끼칠 우려가 크기 때문임. 하지만 시가독소에 의한 HUS 질환은 급성적인 신장장애이기에 단기간 처리만으로도 효과적인 치료 효능을 볼 수 있을 것으로 기대됨. 하지만 여전히 일반 세포에 대한 부작용을 면밀히 관찰할 필요 있음.
연구를 시작한 계기는
본 연구의 공동연구책임자인 박성균(오글루넥당화), 이무승(HUS) 박사 각자의 연구 분야에 대한 이해를 통해 두 연구 분야를 융합하여 새로운 연구 주제를 발굴하고 HUS치료제를 개발해보고자 하는 목적에서 시작되었음. 특히 한국생명공학연구원에서 실패가능성이 높으나 창의적인 아이디어를 지원하는 ‘창의연구지원사업’을 통해 본 연구의 초석을 다질 수 있었으며, 이후 국가 기초연구지원 사업을 통해 연구를 이어갈 수 있었음.
꼭 이루고 싶은 목표는
1. HUS에 대한 효과적인 치료제 개발
2. 효율적인 오글루넥당화 조절 약물 또는 기슬개발
신진연구자를 위한 한마디
자신의 연구 주제를 더욱 심화 발전시킴과 동시에 자신의 연구를 융합하여 더욱 큰 시너지를 낼 수 있는 방법을 고민하길.
그림 1. (왼쪽) 용혈성요독증후군 HUS 질환을 유발하는 장출혈성대장균 감염과 핵심 병인 독성물질인 시가독소의 인체 장기 손상 경로
- 시가독소 생산 대장균(STEC)에 오염된 음식물 섭취-장 출혈 및 손상-시가독 독소 분비와 혈류를 통한 독소의 콩팥으로의 이동-용혈성 요독 증후군 발병(콩팥, 중추신경계 기능장애)
(오른쪽) 용혈성 요독 증후군을 유발하는 장 출혈성 대장균의 분류도
그림 2. 시가독소 감염 시 발생되는 신규 병리기전
- 숙주 세포 내 침투된 시가독소는 소포체 스트레스 반응을 일으키고 이를 통해 특정 단백질 변형(오글루넥당화) 기전을 비정상적으로 증가시켜 숙주 세포의 세포사멸 및 염증반응을 유도
그림 3. 인간 신장 장기 모사체(human kidney organoids) 기반 시가독소 감염 대응 오글루넥당화 저해제 치료 효능 검증
(A) 인간 신장 장기 모사체 확립 (인간 신장 조직 특이 생물학적 표지자를 활용한 검증)
(B) 인간 신장 장기 모사체에 시가독소 처리 시, 대조군에서는 세포사멸에 따른 조직 붕괴 현상이 확연히 관찰됨. 하지만 오글루넥당화 저해제 처리군에서는 장기 모사체 구조가 온전히 유지되는 등 세포사멸 억제 효과가 확인됨.
(C) 일반적인 인간 신장 세포주 모델에서는 발현이 되지 않는 인체 내 신장 손상을 판별하는 생물학적 표지자인 KIM-1의 발현이 장기 모사체에서는 인체와 유사하게 발현이 이루어짐.
시가독소 처리 시 신장 손상에 의해 증가된 KIM-1 발현양이 오글루넥당화 저해제 처리군에서는 매우 유의미하게 감소되어 있음.
(D) 염증성 사이토카인의 발현양 역시 오글루넥당화 저해제 처리에 의해 효과적으로 억제됨.
의학약학 한국생명공학연구원 (2021-12-16)