[116호] Development of Arginine Peptide Mediated Gene Delivery System and Evaluation of Potential Risk Associated with Xenotransplantation

김나영(생명과학과 박사)

질병을 치료하기 위하여 최근에 여러가지 새로운 치료 방법이 개발되고 있다. 유전자 치료를 이용하여 암을 치료하거나 세포와 조직의 기능을 복원시키기 위하여, 세포의 생물학적 특성을 변화시켜 질병을 치료하고, 조직 또는 장기의 파손된 기능을 대체할 목적으로 장기 이식을 통하여 질병을 치료하기도 한다. 본 연구에서는 세포 내로 치료 유전자를 효과적으로 전달하는 시스템을 구축하는 것이 먼저 선행되어야 효율적인 유전자 치료가 이루어지기 때문에 이를 위한 효과적인 유전자 전달 시스템을 개발하였고, 장기 이식에서 이종 장기를 사용했을 경우 발생할 수 있는 위험성에 대하여 연구하였다.

암 유전자 치료를 위하여 최근에 RNA interference를 이용한 차세대 치료법이 새롭게 도입되고 있으며, 현재 이를 이용한 많은 연구가 행해지고 있다. 본 연구에서는 small-interference RNA (siRNA)를 아르기닌 펩타이드를 이용하여 세포내로 전달한 뒤 특정 유전자 침묵 현상을 확인하였다. 난소암세포를 누드 마우스의 피하로 주입하여 암을 만든 뒤, 암조직을 생장시키는 HER2 유전자를 타겟한 siRNA를 아르기닌 펩타이드를 이용하여 암세포로 전달하여, 암조직의 성장여부를 확인한 결과, 암조직의 크기가 작아졌으며, HER2 단백질이 감소하는 것을 확인하였다 (Fig. 1). 아르기닌 펩타이드와 siRNA복합체가 마우스에 주입되어도 마우스의 무게에는 변화가 없었으며, 이는 본 연구에서 개발한 유전자 전달 시스템이 독성이 없다는 것을 의미한다. 이러한 실험 결과를 통해 아르기닌 펩타이드는 siRNA를 세포내로 전달할 수 있는 수송체임을 알수 있으며 in vivo에서도 효과적인 수용체로 사용될 수 있는 가능성을 보여주고 있다

인간 중간엽줄기세포는 다양한 중간엽세포로 분화 가능하여 세포 치료 및 유전자 치료의 매체로서 중요한 의미를 가진다. 그러나 인간 중간엽줄기세포로의 유전자 전달이 쉽지 않기 때문에 본 연구에서는 인간 중간엽줄기세포에 효율적으로 유전자를 전달할 수 있는 수송체를 연구하였다. 팔미트산이 결합되어 있는 아르기닌 펩타이드를 이용하여 최적의 세포 내 유입 조건을 확인하였고, 세포 독성이 없다는 것을 확인하였다. 이렇게 유전자가 전달된 세포들은 지방세포와 뼈 발생 세포로의 분화가 가능하였으며, 유전자가 전달된 후에도 분화능을 잃지 않는 것을 확인하였다 (Fig. 2). 이러한 결과들은 팔미트산이 붙은 아르기닌 펩타이드를 이용한 전달 시스템이 유전자 치료의 매체가 되는 인간 중간엽줄기세포의 조작의 발전에 도움이 될 수 있음을 보여준다

장기 이식 기술의 발달과 함께 이식을 필요로 하는 많은 환자에 비해 절대적으로 부족한 장기 공급문제를 해결하기 위해 동물로부터 바이오 장기를 생산하여 사람에게 이식하려는 이종 간 장기 이식에 관한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 이종 장기 제공원은 장기의 크기, 번식 효율, 사육 기술, 인체 감염 가능성외에도 경제 산업적 측면 등을 고려할 때 돼지가 이종이식 장기 제공 동물로 가장 적절한 것으로 보고 되어있는데, 돼지 세포에는 사람에게는 불활성화 되어있는 α-gal epitope이 존재하게 된다. α-gal epitope은 이종 장기 이식에 있어, 사람에게 존재하는 anti-α-gal 항체에 의한 급성 면역 거부반응을 유발하게 되어 돼지를 이종간 장기 이식 제공원으로 사용하는 데 있어 문제가 된다. 최근에는 α-gal epitope을 knockout시킨 형질전환 돼지를 만들어 이러한 문제점을 해결하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있으나 α-gal epitope의 부재로 인해 돼지 유전자내에 삽입되어 있는 내인성 레트로 바이러스 (Porcine Endogenous Retroviruses, PERVs) 유전자에 의해 만들어지는 PERVs의 인간 세포로의 감염성은 높아질 가능성에 대한 연구가 보고 되었다. α-gal epitope을 가지는 vaccinia virus를 생산하여 사람의 serum에 대한 중화능을 확인한 결과, α-gal epitope을 가지는 vaccinia virus가 중화가 잘되는 것을 확인하였다. 이는 사람과 유사하도록 조작된 세포에서 생산된 바이러스는 오히려 사람에게 좀 더 감염이 잘될 수 있다는 것을 의미한다.

α-gal epitope과 더불어, 돼지 장기를 이종간 장기 이식에 사용할 때 문제시 될 수 있는 PERVs를 연구하기 위하여, PERVs 를 생산하는 재조합 세포주를 이용하여 PERVs의 체내 감염 기작을 규명하였다. 지속적으로 PERVs 가 생산되는 재조합 세포주를 BalB/C 마우스에 이식하여, PERVs의 감염을 확인한 결과, PK15 세포에서 생산된 PERVs보다 마우스 세포에서 생산된 PERVs 가 in vivo상에서 감염능이 더 높은 것을 확인하였다. 이러한 결과는 효과적인 이종간 장기이식을 하기 위해, 면역학적으로 host와 유사하게 조작된 세포나 장기를 이용하게 되면, 이종 세포나 장기에 대한 면역 반응은 감소하지만, 이로인해 이종 세포나 장기에서 생산되는 바이러스에 의한 zoonosis는 증가되는 위험성이 있다는 것을 의미한다.  

효율적으로 질병을 치료하기 위해서 여러가지 새로운 질병 치료 방법이 개발되고 있다. 그 중에서도 유전자 재조합 DNA 기술의 발달로 인하여 과거에는 치료가 불가능했던 질병의 치료 가능성이 높아졌고, 장기 이식 기술의 발달로 이종간 장기 이식에 대한 연구가 활발해졌다. 유전자 치료의 가능성을 높이기 위해서는 독성이 없으며 유전자 전달 효과가 뛰어난 전달 시스템이 요구되며, 본 연구를 통해서 독성이 없이 siRNA나 DNA를 포유류 세포뿐만 아니라 인간 줄기 세포까지 전달이 되는 아르기닌 펩타이드 전달 시스템을 개발하였다. 아르기닌 펩타이드 전달 시스템을 사용한다면 독성이 없기 때문에 효율적으로 유전자 치료를 할 수 있을 것이다. 그리고, 이종간 장기 이식을 위하여 면역학적으로 인간과 유사하게 조작된 장기를 사용한다면, 이로 인한 zoonosis의 위험성이 증가됨을 본 연구에서 확인하였고, zoonosis로 인한 새로운 질병이 초래될 수 있기 때문에 면역학적으로 조작된 이종 장기를 사용하기에 앞서 zoonosis에 대한 연구가 선행되어야 할 것이다.