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카이스트 연구진이 대장에 생긴 암 세포를 정상 세포와 유사한 상태로 되돌리는 ‘암 가역 치료(cancer reversion therapy)’ 원천기술을 개발했다고 밝혔다. 대장암 세포의 상태를 변환시켜 부작용 없이 치료할 수 있다는 설명이다.

‘변이된 암 세포를 되돌린다’는 접근

현재 시행되고 있는 항암치료는 ‘암 세포를 사멸시키는 방식’을 기본 전제로 하고 있다. 이로 인해 정상 세포까지 사멸시킴으로써 부작용을 유발하거나, 암 세포가 치료에 내성을 갖게 되면서 재발을 일으키는 등의 문제가 있었다. 

한편 또 다른 치료 기술은 암 세포의 성장을 억제하거나 면역 체계를 활성화시켜 암 세포에 대응하게 하는 방식으로 접근하기도 한다. 암 세포의 내성을 무력화하거나 회피할 수 있는 방법이 새롭게 개발되는 사례도 적지 않다. 다만, 이러한 방법들 역시 근본적으로는 암 세포를 죽이거나 무력화하는 것을 전제로 하고 있다.

이런 기존의 방식과 반대로, 암 세포를 죽이거나 억제하지 않고 정상 상태에 가깝게 되돌리는 방법이 등장했다. 암 세포는 기본적으로 세포의 변이로 인해 발생하므로, 그 과정을 관찰해 원인을 찾고 변이를 되돌리는 접근법이다.

비정상적 분화를 컨트롤하는 방법

카이스트 바이오 및 뇌공학과 조광현 교수 연구팀은 정상 세포가 암 세포로 변하는 과정에서 정상적인 세포분화 궤적을 역행한다는 관찰 결과에 주목했다. 본래 세포가 정상적인 발달 과정을 거칠 경우, 여러 단계의 분화를 통해 각자 역할을 부여받게 된다. 미분화 상태의 줄기세포에서 여러 장기 세포 또는 조직 세포로 분화하는 것이다.

그러나 암 세포의 경우, 이 과정을 역행해 비정상적으로 성장하면서 분화하지 않은 형태로 돌아가게 된다. 이로 인해 통제되지 않은 방식으로 성장하고 분열하며 크기가 커지고 다른 영역으로 전이되는 것이다.

연구팀은 관찰한 내용을 토대로 ‘정상 세포의 분화 궤적’에 대한 유전자 네트워크의 디지털 트윈 모델(실제 시스템이나 프로세스의 가상 시뮬레이션 모델)을 제작하는 기술을 개발했다. 그런 다음 분석을 진행해 정상적인 세포분화를 유도하는 ‘마스터 분자 스위치’를 발굴했다. 

마스터 분자 스위치는 다른 유전자의 발현을 조절해 세포의 분화 방향을 결정하는 역할을 한다. 이를 통해 암 세포의 유전자 발현을 조절함으로써, 세포가 정상적인 분화 과정을 따르도록 유도하는 원리다.

다른 암에도 적용할 수 있는 원천기술

연구팀은 분자세포 실험 및 동물 실험을 통해 마스터 분자 스위치의 효과를 입증했다. 대장암 세포에 적용했을 때, 이를 정상화시킬 수 있음을 확인한 것이다. 이는 암 세포가 어떤 원리로 생겨나는지, 그에 대한 통제력을 어떻게 되찾을 수 있는지를 분석함으로써 발견해낸 원천기술이라 할 수 있다.

조광현 교수는 “암 세포가 정상 세포로 되돌아갈 수 있다는 것은 놀라운 현상”이라며 “이번 연구는 암 세포의 정상화를 체계적으로 유도해낼 수 있음을 증명한 것”이라고 말했다. 또한 조 교수는 “이번 연구는 ‘가역 치료’의 개념을 최초로 제시했던 성과들을 바탕으로, 암 가역화 치료 타겟을 발굴하는 원천기술을 개발한 것”이라고 강조했다.

이번 연구에서는 대장암 세포를 대상으로 검증했지만, 사실상 다른 암종에도 응용할 수 있는 원리를 포함하고 있다. 향후 응용을 통해 여러 암종에 대한 ‘암 가역 치료제’를 개발할 수 있는 가능성을 제시했다는 점에 큰 의미가 있다.

이번 연구 결과는 와일리(Wiley)에서 출간하는 국제 저널 「어드밴스드 사이언드(Advanced Science)」에 온라인판으로 게재됐다.

국내 연구진이 간 건강에 도움을 주는 ‘밀크씨슬(milk thistle)’의 새로운 품종 개발에 성공했다. 간 건강 효능이 높은 성분의 함량을 높인 신품종으로, 향후 건강기능식품 시장에서 우리나라의 글로벌 경쟁력을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

밀크씨슬 효능의 핵심 ‘실리디아닌’

밀크씨슬은 국내 건강기능식품 시장에서 이미 대표 명사처럼 자리잡고 있다. ‘밀크씨슬 = 간 건강 영양제’라고 곧바로 떠올릴 정도라 해도 과언이 아니다. 밀크씨슬은 ‘흰무늬엉겅퀴(Silybum marianum L.)’라는 약용식물의 다른 이름이다. 식물에 포함된 성분이 아니라, 밀크씨슬 자체가 흰무늬엉겅퀴를 의미한다.

밀크씨슬의 씨앗에는 강력한 항산화·항염증 성분인 실리마린(silymarin)이 풍부하게 함유돼 있다. 이 실리마린이라는 성분은 다시 여러 종류의 화합물로 구성돼 있는데, 그 중에서 ‘실리디아닌(silydianin)’이라는 화합물이 효능을 발휘하는 핵심이다.

중앙대학교 식물생명공학과 이상현 교수 연구팀은 국내·외 5개국에서 재배된 다양한 밀크씨슬 샘플을 확보하여 약 3년에 걸쳐 상세하게 분석했다. 이를 통해 국내에서 재배된 밀크씨슬에 실리디아닌 함량이 가장 높다는 점을 확인했다. 

연구팀은 국내 지역 중에서도 특히 전남 해남 지역에서 재배된 밀크씨슬이 가장 높은 실리디아닌 함량을 가지고 있다는 점도 밝혀냈다. 똑같은 밀크씨슬이라도 재배 환경에 따라 실리디아닌 함량이 달라질 수 있다는 근거를 확보한 것이다.

새로운 품종 ‘실리퀸’ 특허 등록

이상현 교수 연구팀은 5개국에서 유래한 밀크씨슬의 씨앗을 통해 실리마린을 구성하는 화합물들을 세부적으로 분석했다. 실리마린에는 실리디아닌을 비롯해 실리빈 A(silybin A), 실리빈 B(silybin B), 탁시폴린(taxifolin)과 같은 다양한 화합물이 포함돼 있다. 연구팀은 이중 실리디아닌과 실리빈 B의 함량 간에 상관관계가 있음을 확인했다.

연구팀은 같은 밀크씨슬이라도 씨앗의 화합물 함량이 다르다는 점을 확인했다. 연구팀이 발견한 바에 따르면 크게 두 가지 유형, 실리빈의 함량이 높은 ‘화학형 A’와 실리디아닌 함량이 높은 ‘화학형 B’로 구분된다. 이 내용은 원예학 분야의 국제 저널 「Scientia Horticulturae」에 게재됐다.

이러한 성과들을 기반으로 이상현 교수 연구팀은 새로운 품종 ‘실리퀸(SIlyqueen)’을 개발해 식물 특허 등록을 완료했다. 실리퀸은 밀크씨슬의 효능을 결정하는 핵심 성분 실리디아닌의 함량을 높이는 것에 주목해, 더욱 우수한 효능을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

간 건강 보조식품 시장 경쟁력 높일 것

2024년 현재 간 건강 보조식품의 글로벌 시장은 약 11억 5,200만 달러 규모다. 한화로 약 1조6천억 원에 해당한다. 여기에 지방간, 간염, 간경변 등 다양한 간질환이 증가하는 경향으로 인해, 전 세계적으로 간 건강에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 2029년까지 약 17억 4,930만 달러(한화 약 2조5천억 원)로 성장할 것으로 전망하고 있다.

또한, 영양제나 건강 보조식품을 선택하는 데 있어 전반적으로 자연 유래 성분으로 만든 경우를 선호하는 경향이 뚜렷해지고 있다. 약용 식물인 밀크씨슬 기반의 간 건강 보조식품이 향후에도 뚜렷한 시장성을 유지할 거라 보는 이유다.

이상현 교수는 “이번 연구는 밀크씨슬을 국내 고소득 작물로 육성하고, 농가의 경제적 이익을 증대시키는 동시에, 글로벌 건강기능식품 시장에서의 경쟁력을 강화할 수 있는 초석이 될 것”이라고 이야기했다.

한-미 공동연구팀이 알츠하이머의 원인이 되는 ‘타우 단백질’ 제거 메커니즘을 발견했다. 이번 성과를 바탕으로 알츠하이머 예방 및 치료를 위한 약제 개발에 또 한 번의 진전이 있을 것으로 기대된다.

한국생명공학연구원 마이크로바이옴융합연구센터 이정수 박사 연구팀은 한국과학기술연구원 류훈 박사 연구팀, 미국 보스턴 의과대학 이정희 교수 연구팀과 함께 이번 연구를 진행했다. 연구 결과는 신경병리학 분야 국제 저널 「악타 뉴로파솔로지카(Acta Neuropathologica)」 온라인 판에 지난 9월 24일자로 게재된 바 있다.

전 세계적 과제, 알츠하이머

알츠하이머는 치매에서 가장 흔한 유형으로 꼽힌다. 뇌의 신경세포가 점진적으로 파괴되며 인지 기능이 저하돼 가는 질환이다. 건강보험심사평가원 통계에 따르면 알츠하이머 환자 수는 2023년 기준 약 62만5천여 명이다. 5년 전인 2019년에 약 49만5천여 명이었던 것에 비하면 가파른 증가세를 보이고 있다. 고령화와 함께 발병 사례도 지속적으로 증가하고 있음을 보여준다.

알츠하이머는 진행 속도를 늦추는 방법만 알려져 있을 뿐 명확한 치료제가 없는 상황이다. 이 때문에 환자 수가 증가할수록 요양급여 비용도 빠르게 증가해 사회적 문제가 되고 있다. 향후 고령화와 함께 환자 수가 증가하는 만큼, 사회적 부담 또한 가중될 것으로 전망된다. 

이는 전 세계적으로도 비슷한 추세를 보인다. 세계보건기구(WHO)에 따르면 현재 전 세계 알츠하이머 환자는 약 5천만 명 이상이다. 특히 65세 이상 인구에서 알츠하이머 유병률이 급격히 늘어나는 경향이 있다. 고령화 여부와 무관하게 평균 수명이 늘어나고 있다는 점을 감안하면, 국가를 가리지 않고 치료제 개발에 적극적으로 협력하는 이유는 충분히 설명이 된다.

손상 단백질 제거하는 단백질 VCP

한-미 공동연구팀이 주목한 것은 ‘발로신 함유 단백질(Valosin-Containing Protein, 이하 VCP)’이다. VCP는 손상된 단백질을 제거하는 자가포식(Autophagy) 과정을 통해 ‘단백질 항상성’을 유지하는 역할을 한다. 이는 즉, VCP가 분해 대상이 되는 단백질을 인식할 수 있다는 것을 의미한다.

VCP는 자가포식 과정을 통해 세포가 손상된 요소를 제거하고 그로부터 얻은 에너지를 재활용할 수 있게 한다. 이로써 세포의 항상성을 유지하고 세포가 제 기능을 건강하게 수행할 수 있도록 한다.

타우 단백질은 본래 신경 세포의 안정성을 유지하는 데 기여한다. 하지만 비정상적으로 응집될 경우 신경 세포의 기능을 방해하고 세포의 사멸을 유도하는 등 해로운 영향을 끼친다. 따라서 VCP의 판단 기준에서 축적된 타우 단백질은 명백한 제거 대상이 된다.

공동연구팀은 쥐와 제브라피쉬 동물 모델 실험을 통해 알츠하이머의 원인이 되는 ‘타우 단백질’과 VCP의 발현 사이에 반비례 관계가 나타난다는 점을 확인했다. 즉, VCP 발현이 증가하면 타우 단백질 응집이 감소하고, VCP 발현이 감소하면 타우 단백질 축적이 비정상적으로 증가한다는 것이다. 

공동연구팀은 단백질 발현 조절을 통해 VCP를 증가시키면 자가포식이 활성화되며 타우 단백질이 제거되는 것을 확인했다. 이때 알츠하이머가 유도된 쥐 모델은 인지 기능 저하로 인해 나타났던 행동까지 개선되는 모습을 보였다. 또한, 연구팀은 알츠하이머 환자의 뇌 조직에서도 VCP와 타우 단백질이 반비례 관계에 있음을 임상적으로 확인했다고 전했다. 

알츠하이머 치료제 개발, 뚜렷한 진전

VCP는 본래 희귀질환인 다기관 단백질 질환(MultiSystem Proteopathy)과 관련이 있었다. 여러 장기의 세포에서 비정상적인 단백질 응집이 발생해 근육 약화, 운동 기능 저하, 인지 기능 저하 등 전신다발성 기능 저하를 초래하는 질환이다. 기존 연구를 통해 이 질환이 VCP의 결핍 또는 기능 이상으로 인해 발생한다는 점이 알려져 있었다. 

알츠하이머 역시 비정상적인 단백질 응집으로 인해 발생하는 것으로, VCP를 통해 제거할 수 있을 거라는 예상이 있었다. 하지만 최근까지는 그 구체적인 메커니즘이나 효과가 발표된 적이 없었다. 이번 연구는 VCP에 타우 단백질 응집을 제거하는 효능이 있음을 밝혀낸 것으로, 향후 VCP가 알츠하이머 치료제 개발에 있어 중요한 역할을 할 수 있다는 가능성이 한층 뚜렷해졌다.

이번 연구의 책임자인 한국생명공학연구원 이정수 박사는 “아직 명확한 치료제가 없는 알츠하이머 등 타우 관련 퇴행성 뇌질환의 치료에 새로운 접근법을 제시한 연구”라며 “다양한 퇴행성 뇌질환 치료제를 개발하는 데 큰 기여를 할 것”이라고 전했다.

혈액 대신 땀을 이용해 혈당 수치를 체크할 수 있다면 어떨까? 측정할 때마다 손끝을 바늘로 찔러야 할 필요도 없고, 연속 혈당 측정기를 착용하고 관리하는 번거로움을 감수할 필요도 없을 것이다. 새롭게 연구되고 있는 ‘종이 기반 바이오센서 시스템’이 상용화된다면 충분히 가능한 이야기다.

효소 반응에 기반한 기존 측정법

기존의 혈당 체크 시스템은 혈액 방울을 채취해 그 안의 포도당 수치를 측정하는 방법이다. 당뇨 환자 또는 혈당 관리가 필요한 환자들이 사용하는 혈당 측정기는 손가락 등에서 혈액을 채취해 포도당 수치를 측정하는 방식이다. 

측정이 필요할 때마다 매번 바늘로 찔러야 한다는 점도 누군가에게는 부담일 수 있다. 체했을 때 손끝을 따는 것에도 긴장하는 사람들이 많기 때문이다. 하지만 근본적인 문제는 따로 있다. ‘채취한 혈액으로부터 혈당 수치를 확인하는 방법’에 그 한계점이 나타난다.

기존의 혈당 측정법은 ‘효소 반응’을 활용하는 방법이다. 채취된 혈액에 포도당 산화효소를 적용하면 과산화수소가 생성된다. 만들어진 과산화수소는 전기화학적 반응을 일으키는데, 이때 포도당 농도가 진할수록 강한 전류가 발생한다. 즉, 기존의 혈당 측정 장치는 효소와 포도당이 반응하면서 만들어지는 과산화수소의 양을 통해 혈당 수치를 간접 측정한다.

이는 정확도가 높으며 빠르게 혈당을 측정할 수 있다는 점에서 지금까지 널리 사용되고 있다. 하지만 사용되는 효소가 매우 민감하다는 점에서 우려가 발생한다. 포도당 측정을 위한 효소는 온도와 산성도(수소 이온 농도, pH)에 매우 민감하다. 

구체적인 종류에 따라 달라질 수 있지만, 효소는 보통 30℃~40℃ 사이에서 가장 높은 활성도를 보인다. 그보다 높은 온도에서는 효소의 단백질이 변질되므로 제 기능을 잃게 된다. 반대로 너무 낮은 온도가 되면 효소의 반응 속도가 감소해 정확한 결과를 얻는 데 한계가 생긴다. pH 또한 마찬가지다. 일반적으로 pH 5.5~7.0 사이의 ‘약산성’에서 최적의 활성을 보인다.

이 때문에 측정 과정은 물론 효소의 저장 및 운송 과정에서의 환경 유지가 중요하다. 한 번 변질된 효소는 제대로 된 역할을 할 수 없으므로 측정 결과에 지대한 영향을 미칠 수 있다. 적절한 환경을 갖추고 관리한다고 해도 일정 기간 이상 보관에는 한계가 있기 때문에 실용성 면에서도 제약이 있다.

피 대신 땀을 활용한 당 수치 측정

미국 빙엄턴 대학의 바이오일렉트로닉스 및 마이크로시스템 분야 최석현 교수 연구실에서는 지난 15년여에 걸쳐 얻은 지식들을 토대로 ‘종이 기반 바이오센서 시스템’을 연구해왔다. 종이 재질을 활용한 센서를 만들어 생물학적 신호를 감지할 수 있도록 하는 시스템이다.

종이 기반 바이오센서 시스템은 ‘바실루스 서브틸리스(Bacillus Subtilis)’라는 박테리아의 포자를 사용한다. 이 박테리아의 포자는 포도당에 반응하여 발아하는데, 이때 전기적 신호를 발생시킨다. 따라서 어느 정도의 전력이 만들어지는지에 따라 해당 샘플의 포도당 수치가 어느 정도인지 확인할 수 있는 원리다.

바실루스 서브틸리스 박테리아는 전해질이 풍부한 환경에서 더욱 활성화된다. 땀의 경우 칼륨을 비롯한 전해질이 다량 포함돼 있기 때문에 박테리아 활성화에 최적의 조건을 제공한다. 이는 혈액을 채취하기 위한 침습적 방법 없이 혈당 수치를 지속적으로 측정할 수 있다는 것을 보여준다.

땀은 체온 조절 및 노폐물 배출을 위한 체액이다. 따라서 전해질은 물론 포도당도 포함돼 있다. 땀의 포도당 농도는 혈액에 비하면 낮지만, 일반적으로 혈당 수치와 비례한다. 즉, 혈당이 높으면 땀의 포도당 농도 역시 상대적으로 높게 나타난다는 의미다. 땀을 활용해 혈당 측정을 대신할 수 있는 기본 원리다.

필요할 때만 활성화 가능

박테리아의 포자는 효소와 달리 보다 극단적인 환경에서도 변질되거나 활성도를 잃지 않는 경우가 많다. 박테리아 종류에 따라 높거나 낮은 온도, 극단적인 pH, 매우 건조한 환경 등에서도 생존이 가능하도록 진화한 것들이 있기 때문이다. 이는 최적의 온도와 pH를 유지해야 하는 효소에 비하면 훨씬 높은 안정성을 보장한다.

또한, 비용 측면에서도 유리하다. 실온에서도 보관할 수 있기 때문에 특정 조건이 갖춰진 냉장 보관 등 관리가 필요하지 않다. 유통 및 저장 등의 과정에서 그리 큰 비용을 필요로 하지 않는다. 게다가 박테리아 포자는 평소 ‘활성화되지 않은 상태’로 있다가 필요할 때만 조건을 맞춰주면 활성화시켜 사용할 수 있다. 특정 조건이 갖춰진다면 사용 후에도 다시 휴면 상태로 돌아가 재사용할 수 있다.

경제적인 면에서도 유리하다. 특히 종이 기반 바이오센서 시스템 자체가 저렴한 재료인 종이를 기반으로 하기 때문에 기존의 기술에 비해 경제성이 뛰어나다는 장점도 있다. 박테리아 포자 역시 충분한 기술과 생산 공정이 갖춰진다면 대량 생산이 가능해지므로 비용 절감에 기여할 수 있다.

한편, 박테리아 포자를 활용하는 이 방법은 체내 포도당 수치를 측정하는 것 외에도 다양한 반응에 사용될 수 있다. 다른 생화학 지표 측정, 질환 진단 등의 의료적 목적은 물론, 식품 안전 검사, 특정 장소의 환경 모니터링 등 여러 분야에서 활용 가능성을 지닌다.