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차세대 신약 후보로 꼽히는 ‘엑소좀(exosome) 치료제’ 개발을 원활하게 해줄 분석법이 개발됐다. 국내 연구진이 엑소좀의 생물학적 특성을 유지한 채로 정확한 분석을 할 수 있는 방법을 개발한 것이다. 이로써 엑소좀 치료제가 임상시험에 빠르게 진입할 수 있는 길이 열렸다. 

엑소좀, 분석 방법의 부재

엑소좀은 ‘세포외 소포체(EVs)’의 일종이다. 세포에서 분비되는 나노 크기의 소포체로, 이중지질막 형태로 이루어져 있다. 본래 엑소좀은 EVs의 한 종류에 속하지만, 신약개발 분야에서는 주로 EVs = 엑소좀으로 통용하는 경우도 많다.

엑소좀 기반 치료제는 살아있는 세포로부터 분비되는 엑소좀을 분리, 정제해 개발하는 첨단 바이오의약품 중 하나다. 이는 치료제 및 진단 도구로 사용될 수 있으며, 약물 전달체로 개발하는 것도 용이하다는 장점이 있다.

하지만 엑소좀의 크기는 작게는 30㎚에서 크게는 150㎚로, 미세먼지보다도 수십, 수백 배 작다. 이 때문에 기존의 분석 방법으로는 엑소좀의 생물학적 특성이 바뀌어버리는 단점이 있었다. 생물학적 특성이 바뀌면 엑소좀의 기능이나 효능이 저하될 수 있으며, 이는 치료제의 효과 및 안전성에 영향을 미칠 수 있음을 의미한다.

미토콘드리아 DNA를 측정하는 분석법

오송첨단의료산업진흥재단 조영우 박사, 노영욱 박사 연구팀과 한국기초과학지원연구원 박혜선 박사, 조미영 연구원 연구팀은 함께 공동연구를 통해 엑소좀의 정확한 ‘생체 내 분포평가’가 가능한 정량분석법을 개발했다. 

생체 내 분포평가란, 신약의 임상시험 허가를 위한 시험 항목 중 하나다. 동물모델 등을 사용해, 생체 내에서의 이동, 분포, 잔존 여부 등을 분석하는 방법이다. 이를 통해 치료제의 표적 효과 정도 등을 결정할 수 있다.

연구팀은 세포에서 엑소좀이 분비될 때 포함되는 미토콘드리아 DNA를 분석 대상으로 설정했다. 사람 세포에서 나온 엑소좀을 동물에 투여한다면, 분석 대상을 명확하게 구별할 수 있기 때문이다. 

연구팀은 추출한 엑소좀을 설치류에 투여한 후, 모든 장기에 걸쳐 분포하는 것을 확인했다. 이어 정량 PCR 방법을 사용해 분석한 결과, 다양한 세포에서 분리된 엑소좀이 각각 다른 양의 미토콘드리아를 가지고 있음을 확인했다. 이를 통해 엑소좀의 생물학적 특성을 변화시키지 않은 채로, 엑소좀의 분포를 평가할 수 있었다. 

더 안전하고 효과적인 치료제 개발 가속화

이번 연구 결과는 기존 엑소좀 치료제의 문제점으로 지목됐던 ‘명확한 분석법’을 해결했다는 데서 의의가 있다. 이로써 엑소좀 기반 치료제가 보다 쉽게 임상시험 단계에 진입할 수 있게 됐다. 또한, 새로운 분석법은 엑소좀의 생물학적 특성을 건드리지 않은 채로 생체 내 분포 상태를 측정할 수 있게 해준다. 이는 치료제의 효능과 안전성을 입증할 과학적 근거가 될 수 있을 것이다.

엑소좀은 자연적으로 존재하는 물질이기 때문에, 이를 활용한 치료제는 인체에 대한 안전성이 상대적으로 높다. 화학적으로 합성된 약물에 비해 면역 반응이나 부작용 발생 가능성이 낮다는 장점을 가지고 있는 것이다. 또한, 생체 내에서의 생존 시간이 상대적으로 길기 때문에, 약물이 체내에서 오래 지속되며 치료 효과를 발휘할 수 있다는 장점도 있다.

약물 전달체 및 진단도구로서도 가능성

한편, 엑소좀은 치료제 뿐만 아니라 약물 전달체 및 질병 진단도구로서의 가능성도 가지고 있다. 명확한 분석 방법을 토대로, 치료제 외에 다양한 분야에서 엑소좀을 폭넓게 활용할 수 있게 될 것으로 기대된다.

보다 구체적으로, 엑소좀은 특정 암 세포를 표적으로 삼아 약물을 전달할 수 있을 것으로 기대된다. 엑소좀이 본래 세포 간 신호 전달 및 물질 운반에 효과적이기 때문에, 약물을 특정 목표에 정확하게 전달할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 면역 조절 기능을 가지고 있기 때문에, 염증 반응을 조절하는 데도 기여할 수 있다. 이는 염증성 자가면역질환을 앓고 있는 환자들에게 또 다른 희망이 될 수 있을 것이다.

엑소좀은 RNA, 단백질, 지질 등 생물학적 정보를 포함하고 있기 때문에, 진단도구로서의 가능성도 뚜렷한다. 이들 생물학적 정보는 특정 질병의 징후를 나타내는 지표가 될 수 있으므로, 엑소좀의 정보를 토대로 조기 진단 및 질병의 진행상황을 모니터링할 수 있을 것으로 기대된다.

결핵(Tuberculosis)은 결핵균(Mycobacterium tuberculosis)에 의해 발생하는 감염병이며, 여전히 전 세계 사망 원인 10위 안에 들 만큼 위험한 질병이다. 합병증 없이 단일 감염원으로는 코로나 바이러스를 제외하고 가장 높은 사망률을 기록하고 있다. 2022년 WHO 보고서에 따르면, 전 세계에서 결핵으로 사망한 사람은 160만여 명이었다.

여기에 더해 ‘다제내성 결핵(Multi-Drug Resistant Tuberculosis, MDR-TB)’의 확산이 문제가 된다. 다제내성 결핵은 1차 항생제 등 일반적인 약물 치료에 내성을 가지고 있어 치료가 어려운 유형이다. 효과가 빠르고 부작용이 적으며 비용이 적게 드는 1차 항생제가 듣지 않기 때문에, 개발도상국 등에서는 심각한 문제로 자리잡고 있다.

국내 연구팀이 ‘곤충 공생 박테리아’로부터 유래한 천연물질로 다제내성 결핵을 치료할 수 있는 선도물질을 개발해 주목을 받고 있다.

약물 내성으로 생기는 다제내성 결핵

결핵은 매우 오랜 역사를 가지고 있는 감염병이다. 약 85%가 폐에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 감염 시 기침, 가래, 흉통이 나타나며, 진행되면서 체중 감소 증상이 동반되기도 한다. 비교적 드물지만 혈관이나 림프관을 통해 신장, 뼈, 뇌, 림프절 등에도 감염될 수 있다. 이런 경우를 가리켜 ‘추적 결핵’이라고 별도로 분류한다.

결핵은 대표적인 만성 질환이다. 보통 6개월에서부터 12개월까지 상당한 시간 동안 지속적인 치료가 필요하다. 이 기간 동안 약을 꾸준히 복용하는 것이 핵심이며, 여러 종류의 약을 조합해 복용하는 것이 일반적인 치료법이다. 아이소니아지드(INH), 리팜핀(RFP), 피라진아미드(PZA), 에탐부톨(EMB) 등의 1차 항생제가 사용되며, 각기 효능을 고려해 섞어서 복용하게 된다.

도중에 치료를 중단하거나 약물 복용 주기를 지키지 않을 경우, 결핵균이 약물에 내성을 갖게 될 수 있다. 이로 인해 ‘다제내성 결핵(MDR-TB)’이 발생할 수 있다. 이렇게 되면 기존에 사용되던 1차 항생제들이 듣지 않는 경우가 많아져 치료가 어려워진다.

확산 추세의 다제내성, 광범위 약제내성

다제내성 결핵은 보통 치료가 제대로 이루어지지 않거나, 환자가 임의로 치료를 중단하는 등의 문제로 발생한다. 하지만 처음 발병 시부터 다제내성으로 발생할 가능성도 있다. 본래부터 항생제에 내성을 가진 균주에 감염되는 경우, 혹은 다제내성 결핵에 걸린 환자와의 접촉으로 감염되는 경우다.

현재 전 세계적으로 다제내성 결핵 환자가 늘어나는 추세에 있으며, 특히 경제 발전이 더딘 국가나 개발도상국의 경우는 더 큰 피해를 보고 있다. 여기에 2차 항생제에 대해서도 내성이 생기는 ‘광범위 약제내성 결핵(XDR-TB)’으로 번지기도 한다.

다제내성 결핵과 광범위 약제내성 결핵은 그만큼 치료에 사용할 수 있는 약물이 제한된다는 것을 의미한다. 치료가 어려워지는 것은 물론, 줄어든 치료 옵션에서도 내성이 생기지 않도록 신경써야 하므로 치료 기간이 훨씬 길어질 수밖에 없다. 일반적인 결핵이 6~12개월 정도가 걸리는 데 반해, MDR-TB는 보통 18~24개월 이상 걸리게 되며, XDR-TB는 그 이상이 필요할 수도 있다.

곤충의 장내 박테리아에서 항생물질 발견

서울대학교 약학대학 천연물과학연구소 오동찬 교수, 경상국립대학교 장지찬 교수, 충남대학교 의과대학교 조은경, 백승화 교수는 공동 연구팀을 꾸려 다제내성 결핵 치료제 연구를 진행했다. 그 결과 딱정벌레목 곤충인 ‘남가뢰’에 공생하는 박테리아로부터 다제내성 및 광범위 약제내성 결핵균을 죽일 수 있는 항상물질을 발굴했다.

연구팀은 남가뢰의 장에서 공생하는 박테리아 ‘마이크로모노스포라’가 생산하는 9종의 천연물을 발견하고 이를 ‘아레니콜라이드(Ar)’로 명명했다. 연구팀은 다양한 분석 기법을 동원해 아레니콜라이드를 생산하는 유전자군과 물질의 입체구조, 생합성 과정 등을 규명해냈다.

이 연구는 새로운 항결핵 치료제를 찾는 데 있어 중요한 단서가 됐다. 특히 아레니콜라이드 A(Ar-A)의 경우, 활발히 증식하는 결핵균뿐만 아니라 MDR-TB와 XDR-TB에서 나타나는 변이 결핵균에도 뛰어난 효능을 보였다. 

연구팀은 Ar-A가 제브라피시 모델과 설치류 모델에서 결핵균 성장을 억제하고 병변을 완화하는 것을 확인했다. 또한, 결핵균은 대식세포 내에 생존하며 면역 반응을 회피할 수 있는데, Ar-A는 여기에도 효능을 보였다.

결핵의 치명률을 낮출 새로운 발견

연구팀에 따르면, Ar-A는 결핵균 세포의 에너지원인 ATP를 고갈시키고, 세포벽을 불안정하게 하는 이중 작용을 한다. 이는 단일 기전으로 작용하는 기존 치료제들보다 효과적일 수 있다는 점을 시사한다. 

또한, MDR-TB 치료에 사용되는 2차 치료제 아미카신(AMK)을 Ar-A와 함께 투여할 경우, 시너지 효과를 일으킬 수 있다는 점도 확인했다. MDR-TB 환자를 치료할 때 AMK만 단독으로 사용할 경우, 치료 기간이 길어지고 부작용 발생 위험이 높아질 수 있다. Ar-A를 함께 사용함으로써 이 부분이 해결될 가능성이 열렸다.

이러한 연구 결과를 토대로, Ar-A는 항생제 내성이 생긴 결핵균을 사멸시킬 수 있는 유망한 물질로 주목을 받고 있다. 이번 연구는 보건복지부와 과학기술정보통신부, 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 「독일 화학회지(Angewandte Chemie International Edition, IF=16.1)」에 게재됐다.

패혈증으로 인한 전신 염증 및 장기 손상을 완화할 수 있는 약물치료 후보물질이 개발됐다. 고려대학교 구로병원 신경과 김치경 교수를 주축으로 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단과 (주)현텍엔바이오가 참여한 산·학·연 공동연구팀의 성과다.

다발성 장기 부전 유발할 수 있는 패혈증

패혈증(Sepsis)은 감염이 전신으로 퍼지면서 면역계가 과도하게 반응함으로써 발생한다. 신체 방어 기전인 염증이 지나치게 발생하면서, 염증 물질로 인해 혈관이 확장되고 혈압이 떨어진다. 산소 공급이 부족해지면서 여러 장기가 손상되거나 기능을 상실하며 ‘패혈증 쇼크’를 유발할 수 있다.

패혈증의 발생 원인은 폐렴, 요로 감염, 복부 감염 등 세균에 의한 감염이 가장 일반적이다. 인플루엔자나 코로나19 등의 바이러스 감염도 포함된다. 만성 질환을 앓고 있거나 면역 억제 치료를 받고 있는 등의 이유로 면역력이 약해져 있는 경우 특히 패혈증 발생 위험이 높다. 

또한, 드물지만 감염이 없어도 패혈증이 발생할 수 있다. 심한 외상이나 화상을 입었을 때, 그리고 수술 후에 나타나는 염증 반응이 그 예다. 특히 크고 복잡한 수술을 마친 환자의 경우 상대적으로 패혈증 위험이 높다.

패혈증은 다발성 장기 부전으로 이어지는 원인이 되므로 신속한 치료가 필요하다. 감염균을 특정할 수 있는 경우에는 그에 맞는 항생제를 조기 투여하는 방법, 혈압을 안정시키기 위해 수액을 투여하는 방법, 산소 공급을 통해 긴급 조치를 하는 방법 등이 일반적으로 사용된다. 

패혈증을 근본적으로는 치료하기 위해서는 염증 반응을 조절해야 하지만, 이는 한계가 있는 방법이다. 염증 반응의 지나친 억제는 면역력 저하로 이어질 우려가 있기 때문이다. 특히 활성산소종(ROS)에 의한 산화 스트레스를 효과적으로 조절하기가 어렵다는 점도 문제다. 산화 스트레스는 염증 반응 및 장기 손상에 지대한 영향을 미치기 때문에 지속적인 연구가 필요하다.

신장에서 여과될 수 있는 나노 입자 복합체

이러한 문제들을 해결하기 위해, 주로 항산화와 항염증 성능에 주목해왔다. 기존 약품들보다 항산화 및 항염증 성능이 뛰어난 무기 나노입자들이 치료제 후보로 거론됐다. 하지만 이들은 근본적으로 금속이기 때문에, 체내에 축적될 경우 독성을 띌 수 있어 임상에서의 사용이 제한됐다.

이에 김치경 교수를 비롯한 공동연구팀은 새로운 치료 후보물질로 ‘세륨-DTPA 복합체’를 개발했다. 지나친 염증 반응을 완화하면서 체외 배출이 가능하다는 점이 특징이다. 기존 후보들의 한계였던 체내 축적 문제를 해결한 것이다.

연구팀이 개발한 세륨-DTPA 복합체는 신장을 통해 배출할 수 있는 나노 입자를 형성, 세륨 이온이 체내에서 누출되는 것을 방지했다. 세륨(Cerium)은 희토류 금속의 일종으로 항산화 작용을 통해 세포를 보호하지만, 체내 축적될 경우 세포 손상 및 염증 반응을 촉진할 수 있기 때문에 누출되지 않게 하는 것이 핵심이다.

여기에 철 이온과 DTPA가 결합한 복합체를 함께 적용해 항산화 및 항염 효과를 극대화시켰다. 철 이온은 ROS 제거에 기여하며, DTPA는 철 이온을 안정화시켜 과도한 산화 스트레스를 막는다. 또한, 염증 물질의 생성을 억제하고 염증 매개체의 활성화를 감소시켜 염증 완화에도 기여한다. 

기존 치료제 후보들이 임상에서 사용할 수 없었던 원인이 체내 축적이었던 만큼, 이 부분을 거듭 확인했다. 세륨-DTPA 복합체는 나노 입자로 형성되며, 기능을 수행한 뒤 체내 대사를 통해 신장으로 이동한다. 나노 입자는 신장의 여과 기능을 통해 배출될 수 있을 만큼 작은 크기이므로, 복합체의 안정성이 유지되는 한 체내에 남을 우려가 없다.

패혈증 단일 치료제 가능성 확인

연구팀은 동물실험을 통해 이 복합체를 활용한 치료제의 효과를 확인했다. 패혈증을 유발시킨 실험 쥐의 혈관에 치료제를 주사한 결과, 염증 물질인 사이토카인의 과도한 발현이 감소했다. 간, 비장, 신장의 장기 손상이 완화됐으며, 치료제를 투여하지 않은 그룹에 비해 생존율이 약 5배 증가함을 확인했다.

김치경 교수는 “패혈증은 전신 염증 반응으로, 아직 단일 치료 약물이 없어 동시 다발적 조치를 통해 치료가 이루어지지만, 그 효율성이 낮아 치료제 개발이 필요하다”라며 “이번 연구를 통해 패혈증 치료 후보물질에 대해 지속적으로 연구하고, 단일 치료제를 개발할 수 있도록 노력하겠다”라고 이야기했다.

(주)현텍앤바이오의 소민 CTO는 “나노 의약품의 상업화를 위해 중요한 터닝 포인트가 될 것”이라고 이번 연구 성과를 평했다. 그는 “기존 나노의학의 당면 과제였던 ‘장기간 독성’에 대한 해결법을 제시했으며, 향후 대량생산과 임상시험을 통해 패혈증 치료제 승인을 달성할 것”이라는 계획을 밝혔다.

당뇨에는 여러 합병증이 따라온다. 고혈당 및 염증, 대사 이상, 혈관과 신경 손상 등을 동반하기 때문에, 이와 관련된 다양한 증상이 생길 수 있는 것이다. 그중 흔한 것이 ‘배뇨 장애’다. 방광 근육의 수축능력이 떨어지면서 소변 배출이 원활하지 않게 되는 것이다.

배뇨 및 배변은 인간의 기초적인 욕구에 해당한다. 즉, 삶의 질에 직접적으로 연관되는 요인 중 하나다. 당뇨로 인한 배뇨 장애가 발생할 경우, 약물이나 전기 자극 등의 요법을 통해 일시적 치료는 가능하지만, 근본적인 원인을 치료하는 방법이 없었다. 서울아산병원 연구팀이 줄기세포를 활용해 이를 치료할 수 있는 가능성을 제시했다.

난치성 질환 ‘저활동성 방광’

당뇨가 진행되면 고혈당으로 인해 혈관이 손상된다. 이로 인해 신경으로 가는 혈류가 약해지면서 신경 손상이 발생한다. 이는 감각 이상이나 운동 기능 저하와 같은 신경계 병증을 일으킬 수 있다. 

저활동성 방광은 당뇨 환자에게서 흔하게 발생하는 증상이다. 신경 손상 등으로 인해 방광의 평활근이 정상적으로 수축하지 못하게 되면서, 소변 배출에 문제가 생기는 것이다. 주요 증상은 소변 줄기 약화, 배뇨 시작 지연, 잔뇨(잔여 소변) 및 방광의 과도한 팽창 등이다. 이로 인해 요로 감염 위험이 증가할 수 있다.

문제는 저활동성 방광의 근본적 원인인 신경 손상을 치료할 방법이 마땅치 않다는 데 있다. 증상이 나타날 경우, 일반적으로는 환자 스스로 소변줄을 요로에 삽입해 잔뇨를 배출하는 방법이 사용된다. 하지만 이는 통증이 따르는 데다 하루에도 수 차례씩 소변을 배출할 때마다 반복해야 하므로 일상생활에도 지장이 된다. 소변줄 삽입으로 요로 손상이나 감염 위험도 따른다.

약물이나 전기 자극 등을 통해 방광의 평활근 수축 문제를 해결할 수 있는 방법은 있지만, 그 또한 일시적인 방법일 뿐 근본적인 치료는 되지 않는다. 때문에 현재로서는 증상을 관리하는 방향으로 치료가 이루어지고 있는 실정이다.

중간엽 줄기세포 투여로 회복 확인

서울아산병원 세포유전공학교실 신동명 교수, 생화학분자생물학교실 김승후 교수, 비뇨의학과 박주현 교수는 함께 연구팀을 구성하고, 줄기세포를 활용해 당뇨로 인한 저활동성 방광 문제를 해결하고자 했다.

연구팀은 저활동성 방광의 근본적 원인이 신경 손상이라는 점에 착안, 방광의 신경 및 배뇨근을 재생시키는 줄기세포 치료제를 개발해, 전임상 효능 평가를 실시했다. 전임상 효능 평가란 임상시험에 들어가기 전 동물모델 등을 사용해 안전성과 효능을 평가하는 단계다. 

연구팀은 먼저 췌장의 베타 세포를 파괴하는 약물인 스트렙토조토신(streptozotocin)을 쥐에게 저용량으로 투여함으로써 당뇨를 유발했다. 스트렙토조토신을 투여한 쥐들에게서 배뇨기능 장애가 나타난 것을 확인해 저활동성 방광 모델을 구축했다. 

연구팀은 저활동성 방광이 나타난 쥐들 중 일부에게 세포치료센터와 공동 개발 중인 ‘기능성 강화 중간엽 줄기세포(이하 PFO-MSC)’를  1회 투여했다. 그 결과 PFO-MSC를 투여한 그룹에서는 배뇨기능 장애가 개선됐으며, 방광 내 염증과 배뇨근 손상도 호전됐음을 발견했다. 이 효과는 4주 이상 지속됐다.

근육 재생할 수 있는 줄기세포 치료제

특히 방광에 이식된 PFO-MSC가 배뇨근 재생에 중요한 역할을 한다는 것도 발견됐다. 이식된 PFO-MSC는 방광 근육 내에서 근육 단백질(a-SMA)을 만들었으며, 이를 통해 배뇨근 재생에 직접적으로 관여하는 것을 확인했다. 이 세포를 분리해 단일세포분석한 결과, 근육 전구 세포, 즉 ‘근육으로 발전할 수 있는 기초 세포’로서의 분자학적 특성을 가지고 있음을 발견했다.

비뇨의학과 박주현 교수는 “완치가 어려운 저활동성 방광으로, 많은 당뇨 환자들이 배뇨 장애 및 일상생활 문제를 겪어왔다.”라며, “줄기세포 치료가 환자들의 삶의 질을 크게 개선할 것으로 기대된다”라고 전했다.

세포유전공학교실 신동명 교수는 “PFO-MSC는 임상에 바로 적용할 수 있는 단계의 성체 줄기세포 치료제로서, 줄기세포 기능 강화를 위한 핵심 원천기술이 될 것”이라고 이야기했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 「임상 및 중개의학(Clinical and Translational Medicine, IF=7.9)」에 최근 게재됐다.