Nat Biomed Eng, 2021

김정훈 교수
(의과학과/안과학교실)

조동현 교수
(해부학교실)

유전자 질환(genetic disease)은 유전자 변이(genetic variant)에 의한 질환을 통칭한다. 일부 유전자 질환에서는 효소 치료제나 식이 제한을 통한 치료 전략이 수립되어 있지만, 대부분의 유전자 질환은 소위 ‘치료 불가능한’ 질환으로 간주된다. 2020년 노벨 화학상 수상자들의 연구 주제이기도 한 크리스퍼(CRISPR) 유전자 가위는 유전자 질환에 대한 근본적인 치료 전략이 될 수 있을 것으로 기대되는데, 본 연구는 해부학교실 조동현 교수가 제1저자, 의과학과/안과 김정훈 교수가 책임저자로 참여한 성과로 유전자 질환 생쥐 모델에서 3세대 크리스퍼(CRISPR) 유전자 가위인 프라임 교정기(prime editor)의 생체 내(in vivo) 치료 효과를 확인하였다.

크리스퍼 유전자 가위는 DNA 이중나선 절단(double-strand break)을 일으키는 1세대와 이중나선 절단 없이 단일 DNA 염기 수준에서 유전자 교정을 시도하는 2세대(염기 교정기, base editor)로 구분되었다. 1세대 크리스퍼 유전자 가위는 획기적인 기술임은 분명하지만 염색체 전위(translocation) 등 예측 불가능한 탈표적 효과(off-target effect)가 발생할 가능성이 있다. 2세대 염기 교정기는 이중나선 절단에 의한 부작용은 피할 수 있지만, 적용할 수 있는 유전자 변이의 종류가 제한되고, 여전히 DNA 및 RNA에 대한 탈표적 효과가 있다는 한계가 있었다.

본 연구에서 활용한 3세대 크리스퍼 유전자 가위인 프라임 교정기는 단일뉴클레오티드변이(single nucleotide variant)뿐만 아니라 삽입, 결손 등 모든 종류의 유전자 변이에 대한 유전자 교정 기술이다. 프라임 교정기가 식물이나 생쥐 배아(embryo), 사람의 세포 및 오가노이드(organoid)에서 작동한다는 보고는 있었지만, 유전자 질환 동물 모델에 적용한 선례가 없었다. 이에 본 연구진은 연세대학교 김형범 교수와 협력연구를 통해, 유전선 티로신혈증(hereditary tyrosinemia)과 선천망막질환(inherited retinal disease)인 레버선천흑암시(Leber congenital amaurosis) 생쥐 모델에서 프라임 교정기를 통해 유전자 변이를 교정하여, 각각 생존 기간의 연장과 망막 기능의 회복이라는 치료 효과를 확인하였다.

본 연구는 3세대 크리스퍼 유전자 가위인 프라임 교정기의 치료 효과를 동물 모델에서 확인한 세계 최초의 연구이다. 특히, 상당한 수준의 유전자 교정 효율을 보여주면서도, 원하지 않는 탈표적 효과 및 주변 DNA 염기에 대한 방관자 효과가 관찰되지 않았다는 점이 고무적이다. 본 연구진은 현재 서울대학교 어린이병원의 선천망막질환 환아에서 관찰되는 유전자 변이에 대한 프라임 교정기를 개발 중이다. 희귀 유전자 질환에서 나타나는 유전자 변이는 같은 변이를 가진 환자의 숫자가 2-3명 정도로 매우 적기 때문에 제약 회사의 관심을 받기가 어렵지만, 학내외의 연구사업을 통해 연구자 주도 임상시험을 할 수 있다면, 본 연구의 성과를 실제 환자에게 적용할 수 있는 귀중한 기회가 될 것으로 기대된다.

논문링크 : https://www.nature.com/articles/s41551-021-00788-9

Ann Surg, 2021

이남준 교수
(외과학교실)

신애선 교수
(예방의학교실)

홍석균 교수
(외과학교실)

우리나라에서 생체간이식은 1년에 인구 100만 명당 20명 정도로 이뤄진다. 세계에서 가장 높은 비율이지만, 간 기증자들의 수술 후 장기생존율에 대한 연구는 그동안 세계적으로도 제대로 보고된 바가 없었다.

외과학교실 간 이식팀(서경석, 이광웅, 이남준, 최영록, 홍석균, 이정무)과 예방의학교실(신애선, 최선호)은 질병관리본부 국립장기이식관리센터 데이터를 활용해 2000년부터 2015년까지 간 기증을 한 10,116명을 추적·관찰한 연구결과를 발표했다. 전체 간 기증자 10,116명 중 사망자는 총 53명(0.52%)이었으며, 사망원인으로는 자살(19명), 암(9명), 교통사고(7명), 간 질환(5명), 뇌혈관 질환(3명), 심장 질환(1명), 기타(9명) 순으로 나타났다. 간 기증 후 간 질환으로 사망에 이르는 경우는 교통사고로 목숨을 잃을 확률보다 적었다. 또한 전체 간 기증자의 수술 후 10년 누적 사망률은 0.9%로 간 기증의 안전성을 입증했다. 다만, 19명의 기증자가 자살로 사망했기 때문에 수술 후에도 간 기증자에 대한 꾸준한 관찰과 관리가 필요하고 심리적인 지원을 제공해야함을 시사한다.

추가로 연구팀은 ‘간 기증자’ 그룹과 ‘일반인구’ 그룹의 장기생존율을 비교했다. 일반인구 그룹은 간 기증자 그룹과 성별·나이 비율을 맞춰 건강보험공단 데이터에서 무작위로 추출했다. 그 결과, 간 기증자 그룹의 수술 후 10년 누적 사망률은 0.5%로 일반인구 그룹의 0.9%보다 오히려 낮았다. 생체간이식 수술 후에도 간 기증자가 안전함을 입증한 것이다.

이 연구는 간 기증자의 장기 성적에 대한 최초의 대규모 연구이며 수술 후에도 간 기증자를 장기적으로 관찰해야 할 필요가 있으며 특히 정신건강 관리도 지속적으로 이루어질 필요가 있음을 제시한다.

논문링크 : https://journals.lww.com/annalsofsurgery/Fulltext/2021/08000/Long_term_Survival_of_10,116_Korean_Live_Liver.29.aspx

Br J Sports Med, 2021

연동건 전임의
(소아과학교실)

코로나19의 확산세가 좀처럼 누그러들지 않으면서 전세계적인 사회적 거리두기로 인하여 운동을 하기 어려운 시간이 더 길어지고 있다. 현재 WHO에서는 코로나19 상황에서도 빠르게 걷기나 가벼운 조깅 등의 중강도 운동을 주150분 이상, 근력운동을 주 2회 이상하라고 권고하고 있다. 문제는 운동을 하기 어려운 시간이 길어지면서, WHO에서는 #HealthAtHome 캠페인을 통하여 사람들로 “위드 코로나”시대에 운동을 하게끔 권고하고 있는 실정이다. 그러나 아직까지 운동과 코로나19의 위험도에 대한 임상적 중요성에 대해서는 잘 알려져 있지 않다.

본 연구는 건강보험공단 코로나19 관련 청구데이터를 통하여 코로나19 검사를 받은 21만명의 한국인에 대하여 운동의 효과에 대한 분석을 진행했다. 또한, 운동에 대한 지표는 국가건강검진 설문지 결과를 확인하여 수치화하였다.

이 결과, WHO가 권장하는 수준으로 유산소 운동과 근력 운동을 병행하는 성인은 운동이 충분하지 않은 성인과 견주어 코로나19 감염 위험도가 15% 감소하였고, 코로나19 감염 이후 중증 악화 위험도와 사망률은 각각 58%, 76% 감소함을 확인할 수 있었다. 또한 연구팀은 유산소 운동과 근력 운동을 병행하는 성인은 그렇지 않은 성인보다 코로나19로 인한 병원 입원 기간이 평균 2일가량 짧아진다는 사실도 확인했다. 다만, WHO에서 권고하는 중강도 운동을 주150-250분 정도로 하는 것이 가장 코로나19 방어에 효과적이었고, 이를 넘어서는 과도한 운동을 할 시에는 부정적인 영향을 끼치는 것을 확인했다. 즉 운동량과 코로나19 감염 위험도, 중증 위험도, 사망 위험도는 U 모양의 커브를 그리는 것을 알 수 있었고, WHO에서 권장하는 운동량이 가장 위험도를 낮춘다는 것을 확인했다.

그동안 코로나19에 대한 운동의 효과를 두고 논란이 있었지만, 이번 본 연구를 통하여 세계적인 정책 기조의 근거가 마련되었으며, 적절한 수준의 운동을 병행한다면 코로나19의 개인 방역에 큰 도움이 될 수 있을 것으로 기대한다.

본 연구는 하버드의대, 캠브리지의대 등을 포함한 다국적 공동연구로 수행하였고, 코로나19와 관련된 다국적 후속 연구를 진행하고 있다.

그림 1. 운동과 코로나의 연관관계 사이에 존재하는 다양한 교란요인

그림 2. 운동과 코로나19의 감염 위험도, 중증 위험도, 사망 위험도에 대한 분석표

논문링크 : https://bjsm.bmj.com/content/early/2021/07/21/bjsports-2021-104203

J Am Coll Cardiol, 2021

이승표 교수
(내과학교실)

곽순구 전문의
(전 내과학교실)

대동맥판 협착증(aortic stenosis)은 심장에서 대동맥으로 나가는 길목에 있는, 대동맥판막의 퇴행성 변화로 판막이 제대로 열리지 않는 질병이다. 고령일수록 유병률이 증가하여 75세 이상에서는 12%까지 보고된다. 심장에는 압력 과부하가 발생하여 심장이 점점 두꺼워져 심부전에 이르게 된다. 운동시 호흡곤란, 흉통, 실신이 나타나며 중증일 경우 급사할 수 있는 무서운 질병이다. 이 같은 증상이 있거나 증상이 없어도 좌심실 구혈률이 50% 이하로 심기능이 떨어지면 판막 치환 수술 또는 시술을 권고하고 있다. 그러나 무증상이어도 질환이 중증인 환자들이 급사할 수 있기에 이 같은 환자들에서 수술을 시행해야 하는지 여부와 수술 시점은 아직 논란이다. 이에 심장의 구조적/기능적 손상을 정량화할 수 있는 객관적인 지표와 바이오마커 발굴의 필요성이 큰 질환이기도 하다.

최근에 심장 자기공명영상(이하 심장 MRI)이 대동맥판 협착증 환자에서 활발히 연구되고 있는데 이는 심장 MRI가 심장의 구조와 기능을 정확히 분석할 수 있고 T1-mapping이라는 새로운 영상 기법으로 심장 근육의 손상을 대변하는 섬유화를 정량 평가할 수 있기 때문이다. 심근 섬유화의 두 종류인 미만성 섬유화 (diffuse fibrosis, extracellular volume fraction [ECV%]) 그리고 대치 섬유화 (replacement fibrosis, late gadolinum enhancement percentage [LGE%]) 모두 대동맥판 협착증에서 불량한 예후와 연관이 있는데 두 지표 모두 다른 이미징 기법과는 달리 심장 MRI만 영상화하고 정량화할 수 있다. 이러한 지표들은 질병의 경과에 따라 서서히 진행하며, 심기능의 저하보다 더 조기에 심장의 손상을 반영한다고 알려져 판막치환술의 적절한 시기를 결정하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 다만 이러한 섬유화 지표들이 기존 지표들에 비해 얼마나 더 중요한 예후 인자인지, 환자들의 예후를 반영하는 역치는 무엇인지에 대해 알려져 있지 않아 임상적 이용에 애로가 있다.

본 연구는 상기의 의문점들을 인공지능/기계학습을 이용해 규명하였다. 대한민국, 영국, 미국을 포함한 13개 센터에서 총 799명의 중증 대동맥판 협착증으로 수술을 받는 환자들에 대해 총 29개의 임상, 심초음파, 심장 MRI 변수들로 이루어진 대규모 다국적 데이터베이스를 구축하였다. 그리고 이를 이용해 사망을 예측하는 랜덤 생존 포레스트(random survival forest) 기계학습 모델을 개발하여 예후 예측에 있어서 각 지표들의 중요도를 평가하였다. 예후 예측에서 중요한 변수로 심근 섬유화의 두 지표인 ECV%와 LGE% 그리고 심부전의 조기 지표인 좌심실확장기용적과 우심실 수축기능을 발견하였고 좌심실구혈률 등 기존에 알려진 예후 변수들은 그 중요도가 크지 않았다. 구축한 기계학습 모델에서 사망 위험도는 ECV%가 27%를 초과할 때 급격하게 증가하여 ECV%가 27%를 초과하면 사망 위험도는 2.8배 증가되었다. LGE%는 2% 이후에는 일정하게 상승된 위험도를 보여 LGE%가 2%를 초과할 경우 사망 위험도는 약 2.5배 증가하였다. 이러한 역치들은 (ECV%: 27%, LGE%: 2%) 독립적인 테스트 데이터에서 그리고 무증상 중증 대동맥판 협착증 환자들에서도 유의하게 사망을 예측할 수 있었다. 최종 사망 예측 모델에서 기존의 위험 인자에 이러한 심장 MRI 지표들을 추가하였을 때, 수술 후 사망의 예측력이 크게 향상되었다.

본 연구는 현재까지의 연구 중 가장 큰 규모의 심장 MRI 연구이자 이 질환에 대한 최초의 심장 MRI 다국적 연구이다. 본 연구를 통해 심장의 손상을 대변하는 심근 섬유화 지표들이 대동맥판 협착증 환자들의 예후를 결정하는 주된 위험인자라는 것을 증명하고 동시에 이러한 지표들의 사망 연관 역치들을 최초로 규명함으로써 향후 수술의 여부 및 시점 결정에서 중요하게 이용될 수 있음을 보였다. 더 중요하게는 무증상인 환자들에서도 이러한 지표들과 그 각각의 역치들이 중요하다는 것을 발견함으로써 아직까지 수술에 대한 논란이 있는 환자들에서 어떤 기준으로 수술 여부를 결정할지에 대한 가이드를 주었다는 면에서 의미가 크다. 해당 연구는 미국심장학회지 'Journal of the American College (IF 24.09)' 8월호에 게재되었다.

그림. 기계 학습의 일종인 랜덤 생존 포레스트를 이용하여 중증 대동맥판 협착증 환자들의 생존을 예측하는 주요 지표들이 무엇인지, 역치는 어떤지 그리고 이를 이용한 예후 분석의 유용성을 순차적으로 보여주는 모식도

논문링크 : https://www.jacc.org/doi/10.1016/j.jacc.2021.05.047?_ga=2.219298714.2077628338.1634141992-1522579044.1634141992

J Neurosurgery, 2021

조원상 교수
(신경외과학교실)

머리에 작은 구멍을 내는 키홀 접근법이 다발성 뇌동맥류 치료에도 매우 효과적이고 안전하다는 연구결과가 발표됐다. 환자의 부담이 감소하는 것은 물론 뇌동맥류 치료의 새 패러다임이 될 것으로 전망된다.

서울대병원 신경외과 조원상 교수팀은 2013~2018년, 493명의 환자에게 키홀 접근법을 시행했다. 이중 다발성 뇌동맥 환자 110명의 합병증과 위험인자를 분석한 결과, 뇌동맥류 결찰 성공률이 기존의 방법보다 우수했고 합병증 및 수술 시간 등도 대폭 감소한 것으로 나타났다.

뇌동맥류는 뇌혈관 벽에 미세한 균열이 생기고 비정상적으로 부풀어 오르는 혈관 질환으로 유병률은 최소한 전 인구의 약 3% 정도로 추정된다. 뇌혈관이 파열되거나 커지면서 주위 신경 구조물을 압박하면 신경학적으로 치명적인 이상 증상을 초래한다. 뇌동맥류 환자 셋 중 한 명은 2개 이상의 다발성 뇌동맥류를 가지고 있으며, 파열 위험성이 단일 뇌동맥류보다 2~3배 높다고 알려져 있다.

뇌동맥류의 대표적인 치료 방법은 수술법과 시술법 두 가지가 있다. 수술법은 두피를 절개하고 두개골을 열어 부풀어 오른 뇌동맥류를 클립으로 처리하는 개두술과 클립 결찰술이다. 시술법은 다리나 팔의 말초혈관 내로 미세 도관을 넣어 뇌혈관까지 접근해 뇌동맥류 안에 코일을 채워 넣는 코일 색전술을 말한다.

치료가 필요한 뇌동맥류가 1개만 있으면 전신을 마취하고 수술 또는 시술을 하게 되는데 여러 곳에 생긴 다발성 뇌동맥류는 상황이 복잡해진다. 가장 좋은 것은 한 번의 마취로 합병증 없이 전부 치료하는 것이지만 대개는 여러 차례의 전신 마취 하에 수술과 시술을 반복한다. 시간, 비용, 위험성 등 치료 부담이 커진다.

연구팀은 키홀 접근법이라는 최소침습 개두술을 이용했다. 키홀 개두술의 크기가 3cm 정도로 기존 개두술보다 현저히 작다는 점에 착안했다. 뇌동맥류의 위치에 따라 낸 작은 뼈구멍(키홀) 1~3개를 통해 서로 다른 위치의 뇌동맥류에 접근해 결찰했다. 단 한 번의 전신 마취와 피부 절개로 다발성 뇌동맥류 치료에 성공한 것이다. 키홀 접근법을 통한 단일 뇌동맥류 치료 결과는 국내외 여러 기관에서 보고해 왔으나 여러 위치에 생긴 다발성 병변에 대한 치료 결과 발표는 이번이 처음이다.

키홀 접근법으로 시행한 수술은 97%의 만족스런 결찰률을 보였고 뇌경색, 뇌출혈 등 영구적인 합병증은 불과 1.8%였다. 외국 유수의 기관들에서 발표된 단일 뇌동맥류 수술 또는 시술의 만족스런 처리률이 약 80%~90%이고 합병증이 3%~14%인 점을 감안하면 더 나은 성적이다.

키홀 접근법을 통한 뇌동맥류 결찰술은 기존 수술법과 비교해 출혈이 거의 없고 미용적으로 뛰어나며 수술 시간이 짧아 인지기능 저하 등 마취 관련 합병증도 최소화된다는 점은 비교적 잘 알려져 있다. 다만, 수술공간이 좁고 깊어 수술 난이도가 높고 많은 경험을 필요해 널리 시행되고 있지는 않다.

조원상 교수는 “키홀 접근법은 기존 치료법의 단점을 극복해 합병증을 줄이고 환자에게 최선의 치료 결과를 주는 것으로 나타났다”고 연구 의의를 밝히고, "키홀 접근법으로 약 1,000례 이상의 뇌동맥류 뿐만 아니라 해면상혈관종 수술도 시행했다. 이렇게 쌓은 경험이 뇌혈관 질환 환자 치료에 도움을 줄 수 있을 것“이라고 기대했다.

최초로 키홀 접근법을 통한 다발성 뇌동맥류 수술의 임상결과를 밝힌 이번 연구는 미국신경외과학회의 공식 저널인 ‘신경외과지(Journal of Neurosurgery)’ 최근호 온라인판에 게재됐다.

논문링크 : https://thejns.org/view/journals/j-neurosurg/aop/article-10.3171-2021.1.JNS204078/article-10.3171-2021.1.JNS204078.xml

Proc Natl Acad Sci U S A, 2021

최은영 교수
(의과학과)

백혈병, 림프종과 같은 혈액암의 치료요법으로 동종조혈모세포이식(allo-HSCT, allogeneic hematopoietic stem cell transplantation)이 실시된다. 이식편대숙주질환(GVHD, graft-versus-host disease)은 동종조혈모세포이식 후에 발생하는 매우 심각한 부작용으로, 공여자(donor) 유래의 T세포가 야기하는 면역반응에 의해 유도되며 다발성 장기 부전과 생명 위협에 이르는 중증 질환이다. 따라서, 면역억제제 및 면역억제세포 치료제 개발 등 질환 치료를 위한 면역억제와 면역억제 기능을 갖는 단백질 및 면역세포의 생체내 역할 기전이 많은 관심을 받고 있다. IDO1 (indoleamine 2, 3-dioxygenase 1)은 필수아미노산인 트립토판을 키뉴레닌으로 전환하는데 작용하는 트립토판 분해 효소이다. 이에 더하여, IDO1은 종양과 감염을 포함한 다양한 면역-염증 질환에서 면역억제 효과를 갖는 단백질로도 잘 알려져 있으며, 종양면역치료 분야에서 주요 타겟으로 최근 많은 관심을 받고 있다. 이러한 중요성에도 불구하고, 지난 20여년 동안 이 효소가 갖는 면역억제 기전은 명확히 알려지지 않은 채 난제로 남아있다. 본 연구진은 골수성세포(myeloid cell)에서 IDO1의 발현이 높으면 이식편대숙주질환 중증도가 감소한다는 사실을 확인하고 (그림 1), IDO1의 트립토판 분해 반응(catalytic redox chemical reaction)이 골수성억제세포내 활성산소 수위 조절에 직결되며 골수억제세포의 분화를 제한하고 억제기능이 강화되는데 기여한다는 사실을 밝혔다 (그림 2). 이는 IDO1의 생체 면역억제 역할 기전을 제시함과 동시에, 아미노산 대사 과정과 면역 조절 사이의 밀접한 상관성을 증명한 결과로, 이식편대숙주질환뿐 아니라 종양을 포함한 다양한 면역질환의 치료 전략 및 치료제 개발에 기여할 것으로 기대된다.

그림 1. IDO-KO 공여자의 조혈모세포이식 후 GVHD 사망률 증가.

그림 2. IDO1 단백질에 의한 MDSC 분화억제 및 GVHD 억제효과 기전

논문링크 : https://www.pnas.org/content/118/10/e2011170118