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노화는 신체 곳곳에서 동시다발적으로 진행된다. 한 부위에서 노화가 진행되면, 보통 다른 부위에서도 노화가 함께 나타난다. 이 대목에서 의아한 부분이 있다. 신체 곳곳의 세포들은 각기 다른 기능을 수행하는 존재들이며, 저마다 재생 능력과 스트레스 노출 정도, 유전자 발현 등이 다르다. 하지만 노화는 비슷한 시기에 비슷한 속도로 이루어진다. 

국내 연구팀이 이러한 현상의 이유를 밝혀냈다. 노화가 진행되는 원인, 이른바 ‘노화된 세포의 전이 메커니즘’이다. 또한, 이 과정을 막을 수 있는 새로운 전략도 함께 제시했다.

 

노화 세포 확산, 노화가 진행되는 원인

‘노화 세포(Senescent cell)’란, 스트레스나 손상 등으로 인해 더 이상 복제·분열을 하지 않는 세포를 말한다. 세포의 주요 기능을 멈춘 채 대사 활동 및 신호 분비만 지속하는 것이다.

여기에 또 다른 문제가 있다. 노화 세포들이 주변에 염증 물질과 ‘노화 유도 신호’를 내보내, 정상적인 세포들마저 늙게 만든다는 것이다. 비유하자면 주위 사람들에게 ‘적당히 일하고 그냥 쉬어’라고 전파하는 것과 비슷하다. 이를 ‘노화-연관 분비 표현형(SASP)’이라고 부르며, 노화가 진행되는 원인이 된다.

이 SASP로 인해 나이가 들어갈수록 조직 내 노화 세포가 축적돼 간다. 즉, 노화가 진행되는 원인은 조직과 장기에 노화 세포의 비중이 점점 높아지기 때문이고, 이로 인해 전반적인 기능이 떨어지는 것은 물론, 문제가 생겼을 때 회복하는 능력도 점차 약해지는 것이다. 나이가 들수록 체내 곳곳에 염증이 흔하게 발생하는 것도 노화 세포로 인해 회복 능력이 감소하기 때문이다.

 

노화를 온몸으로 퍼뜨리는 물질

고려대학교 의과대학 융합의학교실 전옥희 교수 연구팀은 이러한 현상이 일어나는 메커니즘을 세계 최초로 규명해냈다. 연구팀에 따르면 ‘HMGB1(High Mobility Group Box 1)’이라는 이름의 단백질이 노화가 진행되는 원인이다. 세포에서 일어나는 노화 현상을 ‘전신으로 확산’시키는 핵심 역할을 한다는 것이다.

연구팀은 실험을 통해 노화 세포에서 분비된 HMGB1이 혈류를 통해 전신으로 퍼진다는 것을 확인했다. HMGB1은 다른 곳으로 이동하며 정상적인 세포와 조직의 노화를 유도하는 작용을 한다. 연구팀에 따르면, 특히 근육 조직에서의 재생을 늦추고 기능 저하를 일으키는 것으로 알려졌다. 일정 나이 이후로 근손실이 발생하고 점점 가속화되는 원인을 찾아낸 셈이다.

연구팀은 또한 ‘환원형 HMGB1(ReHMGB1)’이라는 형태의 단백질이 전신에 노화가 진행되는 원인이라는 데 주목했다. 이 단백질은 단순히 노화 세포에서 분비되는 물질이 아니라, 노화를 확산시키는 핵심 인자일 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다.

 

노화된 조직의 회복 가능성 제시

연구팀은 HMGB1의 활성을 줄이기 위한 연구도 병행했다. 쥐 모델을 대상으로 HMGB1을 차단하는 항체를 투여하고 그 결과를 관찰했다. 그러자 전신의 염증이 줄어들고, 손상된 근육의 재생 및 근육 기능도 향상됐다. 연구팀은 또한, HMGB1이 세포에 신호를 전달하는 통로인 ‘RAGE 수용체’를 차단했을 때도 노화 유도 효과가 줄어든다는 것을 확인했다.

뿐만 아니라, 연구팀은 ‘노화세포 유래 물질의 전달’이라는 비세포 자율적 메커니즘이 노화 및 연관 질환의 원인이 될 수 있다는 점을 발표한 바 있다. 이번 연구는 노화가 발생하는 원인을 규명한 데 그치지 않고, ‘혈액을 통해 온몸으로 노화가 전이되는 과정’을 밝혀냈다는 점에서 한층 더 주목할 만하다. 여기에 노화의 원인 물질을 조절해, 조직 기능 회복 가능성까지 보여줬다는 점에서 더욱 큰 의미를 갖는다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 마이오카인 융합연구센터(MRC), 중견연구지원사업 등으로 진행됐다. 연구 결과는 내분비대사 분야 국제 저널인 <대사-임상 및 실험(Metabolism-Clinical and Experimental, IF=10.9)>에 게재됐다.

 

미국에서 개발 중인 조류독감 백신이 동물 모델을 상대로 뛰어난 효능을 보인 것으로 알려졌다. 최근 우리나라에서도 조류독감에 관한 뉴스가 다뤄지고 있으며, 변종 바이러스가 포유류에게도 감염을 일으킨다는 사실이 알려지면서 인간 감염에 대한 위기의식도 대두되고 있다. 이런 점에서 조류독감 백신에 대한 관심도 높아질 것으로 보인다.

 

포유류 감염 변종 바이러스 주목

미국 버팔로 대학은 17일(목) <셀 바이오 머티리얼(Cell Biomaterials)> 저널에 게재한 연구를 통해, 조류독감 바이러스(Highly Pathogenic Avian Influenza, HPAI)의 변종인 H5N1 바이러스에 초점을 맞췄다고 밝혔다. H5N1은 바이러스 계통 분류에 따라 ‘2.3.4.4b’로도 알려져 있으며, 포유류에도 감염을 일으킨 사례가 있어 주목받고 있다.

연구팀은 바이러스의 두 가지 핵심 단백질인 ‘헤마글루티닌(H5)’과 ‘노이라미니다제(N1)’의 정확한 양을 함유한 백신을 만들고자 했다. 연구팀의 설명에 따르면 기존에 승인을 받은 조류독감 백신들은 H5에만 초점을 맞추고 있기 때문에, N1까지 고려한 백신은 충분한 차별성을 가진다.

또한, 연구팀은 현재 개발 중인 백신이 H5N1에 대응하는 것은 물론, 내성균주 또는 변종이 발생했을 때 그에 맞는 백신을 보다 빠르게 개발할 수 있는 플랫폼이 될 수 있어야 한다는 입장이다.

 

핵심은 H5, 보조 역할의 N1

연구팀은 2.3.4.4b를 접종한 쥐 모델을 대상으로 개발 중인 백신을 시험했다. 검증은 세 가지로 나누어 진행했다. H5 단독 사용, H1 단독 사용, 그리고 H5와 N1을 함께 사용한 경우다.

H5만 단독 접종한 경우, 질병이나 체중 감소가 나타나지 않았으며, 폐에서 바이러스도 검출되지 않았다. N1만 단독 접종한 경우, 약 70%의 보호 효과가 있었지만 일부 쥐에게서는 증상이 나타났고 바이러스도 검출됐다.

H5와 N1을 함께 접종했을 때 역시 완전한 예방 효과를 보였지만, H5를 단독 접종한 경우에 비해 효과가 좋지 않았다. 즉, N1을 추가로 접종하더라도 H5만 단독 접종했을 때에 비해 유의미하게 나은 효과가 없다는 것이다. 

연구팀은 이를 토대로 조류독감에 대한 면역력을 키우는 데는 H5 단백질이 중요하다는 결론을 내렸다. 바이러스 형태일 때 H5는 마치 ‘열쇠(key)’처럼 작용해, 숙주의 세포에 침투한 다음 복제를 시작하는 메커니즘이다. 즉, 사전에 백신을 통해 소량의 H5를 접종하면, 바이러스 침입이 발생했을 때 이를 기억해뒀다가 파괴할 수 있다는 것이다.

한편, N1은 바이러스 형태일 때 ‘효소’ 역할을 한다. 숙주의 세포에서 잔여물을 잘라내는 ‘가위’처럼 작동해, 복제된 바이러스가 온몸으로 퍼지는 것을 돕는다는 설명이다. 

연구팀은 N1 단백질이 직접적인 역할을 하지는 않지만, 복제를 줄여 질병의 심각성을 줄여주는 역할을 한다고 설명했다. 즉, H5N1 제형의 백신은 향후 바이러스가 내성을 갖거나 다른 형태로 진화할 때 유용할 수 있다는 것이다.

 

코로나19 백신으로 국내 임상시험 진행

한편, 연구팀은 이 백신이 한국과 필리핀에서 ‘코로나19 백신 후보물질’로서 2상, 3상 임상시험을 진행했다고 전했다. 국내 기업인 유바이오로직스가 이 과정에 협력한 것으로 알려졌다.

한편, 버팔로 대학 연구팀이 개발한 이 백신은 ‘재조합 단백질 백신’이다. 현재 승인돼 사용 중인 백신들이 H5N1의 생균(활성화 바이러스) 또는 사균(불활성화 바이러스)을 사용하는 것과 달리, 이 백신은 바이러스 표면의 항원 단백질인 H5와 N1을 사용해 면역 반응을 자극하는 방식이다. 연구팀은 이러한 제조 방식으로 인해 기존 백신보다 더 빠르고 효율적인 생산이 가능할 거라고 이야기했다.

 

한국과학기술연구원(KIST) 연구팀이 천연물에서 유래한 펩타이드를 기반으로 항바이러스 기능과 조직 재생 기능을 동시에 갖춘 치료 물질을 개발했다고 밝혔다. 

 

펩타이드 기반 치료제 관심

코로나19 팬데믹 이후 전 세계적으로 항바이러스 치료제에 관한 관심이 높아지고 있다. 특히 팬데믹이 끝난 이후에도 지속적인 변이 바이러스가 등장하고 있기 때문에, 예방 백신 및 바이러스 치료제에 대한 관심은 꾸준히 이어지고 있다.

항바이러스 치료제는 다양한 작용 메커니즘을 기반으로 개발된다. 바이러스의 유전자 복제를 억제하는 방식도 있고, 바이러스의 세포 침입을 차단하는 방식, 면역 반응을 증강시켜 바이러스를 제거하도록 하는 방식도 있다. 

그중에서 최근 특히 주목받는 방식으로는 ‘펩타이드 기반 바이러스 치료제’를 들 수 있다. 펩타이드는 자연적인 아미노산으로 구성돼 있기 때문에 합성 및 변형이 용이하고 인체 내 안전성이 높다. 또한, 특정 표적 단백질이나 수용체에 선택적으로 결합할 수 있는 특성을 가지고 있어, 부작용을 줄이고 치료 효과를 높일 수 있다는 장점이 있다. 

특히, 천연 단백질이 체내에서 분해되며 생성되는 ‘펩타이드 대사체’는 다기능성 신약 개발에 적합한 유망 후보물질로 주목받고 있다. 펩타이드 기반 방식이 항바이러스 분야에서 차지하는 비중은 아직 압도적이라 할 수 없다. 다만, 최근 널리 알려지고 있는 위고비(Wegovy)가 펩타이드 방식의 신약이라는 점이 알려지는 등 펩타이드 치료제에 대한 인식 확장에 한몫을 하고 있다. 

 

체내 자연 분포하는 펩타이드

KIST 생체재료연구센터 한형섭 박사, 천연물시스템생물연구센터 송대근 박사, 도핑컨트롤센터 권오승 박사 연구팀은 인체에 존재하는 특정 단백질(티모신 β4)이 분해되면서 펩타이드 대사체(Ac-Tβ1-17)를 생성하는데, 이것이 바이러스 치료제로서의 기능과 조직 재생 기능을 동시에 갖춘 유망한 물질이라는 점을 밝혀냈다.

티모신  β4는 대부분의 세포 내에 널리 분포하는 펩타이드다. 특정 조직에 국한되지 않으며, 상피세포, 면역세포, 내피세포 등 다양한 유형의 세포에서 발견된다. 세포 내에서는 ‘액틴’과 결합해 세포의 골격 재구성을 조절하고, 세포 밖으로 분비될 경우 주변 조직의 재생 및 염증 조절에도 관여하는 것으로 알려져 있다.

연구팀이 발굴한 펩타이드 대사체(Ac-Tβ1-17)는 티모신  β4가 단백질 분해효소에 의해 분해될 때 생성된다. 그 효능을 테스트한 결과, 코로나19 바이러스의 주요 단백질 분해 효소(Mpro) 활성을 85% 이상 억제하는 강력한 항바이러스 효과를 보였다. 

또한, 이 펩타이드 대사체(Ac-Tβ1-17)는 조직 재생에도 효능을 발휘했다. 사람 혈관 세포를 활용한 실험을 진행한 결과, 세포 성장과 상처 치유, 혈관 생성, 유해 산소 제거 등 회복 과정에 중요한 기능을 활성화하는 효과도 가지고 있음이 함께 확인됐다. 

 

항바이러스 + 조직 재생 복합기능

연구진은 티모신  β4의 펩타이드 대사체(Ac-Tβ1-17)가 생물학적으로 우수한 기능을 가지고 있음에 착안해, 실제 치료에 활용할 수 있는 지지체를 직접 제작했다. 

지지체는 세포가 자라거나 손상된 조직이 회복되는 데 발판이 되는 구조물로, 재생의학 분야에서 중요한 역할을 한다. 이 펩타이드 지지체는 세포가 잘 부착되고 성장하며 혈관이 잘 형성되는 등 조직 회복을 유도하는 데 매우 효과적인 것으로 나타났다. 

이번 연구는 하나의 펩타이드가 ‘항바이러스 치료’와 ‘조직 재생’이라는 두 가지 기능을 동시에 수행할 수 있다는 데 그 의의가 있다. 이는 기존 바이러스 치료제가 가지고 있던 여러 한계들 중 상당수를 극복할 수 있을 것으로 기대되며, 이를 바탕으로  펩타이드 기반 치료제에 대한 주목도를 한층 더 끌어올릴 수 있을 것으로 보인다.

또한, 단백질이 체내에서 분해되어 생성되는 대사체의 가능성에 주목했다는 점에서 신약과 의료용 바이오소재 개발에 중요한 기술적 기반이 될 수 있다. 연구팀은 펩타이드 대사체(Ac-Tβ1-17)를 활용한 맞춤형 치료제 및 조직 재생용 생체재료 실용화를 위한 연구를 이어간다는 계획이다.

 

다양한 생체 응용 가능성 지녀

KIST 한형섭 박사는 “이번 연구는 단백질 대사체가 신약뿐만 아니라 조직 재생을 위한 바이오소재로도 활용될 수 있음을 보여준 사례로, 향후 다양한 생체 응용 분야로의 확장 가능성을 확인한 데 의의가 있다”라고 말했다. 

송대근 박사는 “천연 유래 생체활성 소재를 활용한 연구를 지속해 항바이러스 치료제, 기능성 생체재료 등 다양한 분야에서 실용화할 계획”이라고 밝혔으며, 권오승 박사는 “단백질의 대사체가 공동 연구를 통해 신약 후보 물질로 발굴되어 앞으로 이 분야에 많은 활용 가능성이 기대된다”라고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 국제화기반조성사업 등으로 수행됐다. 연구 성과는 국제 학술지 <바이오액티브 머티리얼(Bioactive Materials, IF=18.0)>에 게재됐다.