[연구동향]

Multifocal Organoid Capturing of Colon Cancer Reveals Pervasive Intratumoral Heterogenous Drug Responses

Advanced Science, 2022

구자록 교수
(의과학과/의학과)

정승용 교수
(외과학교실)


공동저자 : 김순찬(의과학과 박사), 박지원(외과학교실), 서하영(의과학과 석사), 김민정(외과학교실), 박재현(의과학과 석사), 김가혜(의과학과 석사), 이자오(암연구소 연구원), 신영경(의학연구원 연구교수), 배정모(병리학교실), 구본경(오스트리아, IMBA연구소)

종양내 이질성(동일 종양 조직 안에서도 서로 다른 특성을 지닌 암세포들이 함께 존재하는 상태)은 약물 반응의 저항성에 관여하여 결장직장암 치료의 효율성을 저해하는 것으로 알려져 있다. 오가노이드는 줄기세포로부터 계통 발생 및 분화를 통해 형성된, 자가 재생 및 자가 조직화가 가능한 3차원 세포 집합체를 일컫는다. 종양오가노이드는 종양줄기세포로부터 수립 가능하다.
본 연구에서는 개별 대장암 환자의 종양내 이질성을 모델링 하기 위해 12명의 대장암 환자로부터 43개의 대장암 오가노이드와 23개의 대장암 세포주를 수립하였으며, 유전체(whole exome sequencing 및 RNA sequencing)분석을 수행하였다. 
수립한 모델을 통해 대장암은 단일 종양내에서 유전체뿐만 아니라 전사체 단계에서도 매우 이질적임을 밝혀내었다. 오가노이드와 세포주가 모두 원발성 종양의 유전체적 이질성을 유지한다는 것을 확인하였으며, 전임상 모델로 널리 쓰이는 세포주보다 오가노이드가 전사체 및 단백질체의 이질성을 보다 잘 유지하는 모델임을 확인하였다. 유전형 분석을 통해 종양유발 인자로 널리 알려진 유전자 (APC, KRAS, SMAD4, TP53 등)들의 돌연변이는 종양 전반에 존재하며, 암이 발생한 위치마다 특이적으로 존재하는 돌연변이에 의해 대장암의 종양내 이질성이 유도됨을 밝혀내었다. 
수립된 오가노이드와 세포주 모델을 사용하여 임상적으로 사용가능한 24개의 항암화합물에 대해 약물 반응을 측정하였으며, 12명의 환자 모두에서 종양의 영역에 따른 다양한 분자 이질성을 발견하였고, 같은 환자유래 종양 영역에서도 각 부위마다 약물 반응에 차이가 남을 증명하였다. 특히, 분자표적이 같은 항암제라도 작용 기전에 따라서 단일 종양내 여러 부위에서 수립한 오가노이드들에 대해 다른 반응성을 보이는 것을 발견하였다. 유전체, 전사체, 단백질체 이질성은 동일 환자에서 유래한 대장암 오가노이드의 약물 반응에 크게 영향을 주었으며, 특히 유전체와 전사체의 상호 분석을 통하여 보다 정확한 대장암 약물 반응 예측이 가능함을 밝혀내었다. 
이러한 결과는 단일 생검 기반 오가노이드는 환자 반응을 정확히 예측하는 데 본질적인 한계가 있음을 시사하며, 종양내 이질성으로 인한 항암제 내성을 극복하기 위해서는 전사체 및 단백질체의 종양 이질성에 대한 포괄적인 이해와 종양 전반에 존재하는 체세포 돌연변이를 표적으로 하는 항암제 검색이 병행되어야 한다. 본 연구는 한국세포주연구재단, 서울대학교병원, 한국연구재단(다부처 생명연구자원 선진화사업, 배양세포 클러스터 육성)의 지원으로 수행되었다.

그림. 단일 종양의 영역에 따른 약물 반응 예측 모델 : 개별 대장암 환자의 종양내 이질성을 모델링 하기 위해 12명의 대장암 환자로부터 동일 환자의 서로 다른 부위의 종양조직을 이용하여 43개의 대장암 오가노이드와 23개의 대장암 세포주를 수립하였다. 수립한 모델을 통해 대장암은 유전체뿐만 아니라 전사체 단계에서도 매우 이질적임을 밝혀내었고, 항암제에 대해서도 서로 다른 반응성을 보임을 확인하였다.

논문링크 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202103360

AUTOTAC chemical biology platform for targeted protein degradation via the autophagy-lysosome system

Nature Communications, 2022

권용태 교수
(의과학과)

지창훈 박사
(의과학과)



표적 단백질의 분해는 치료 응용을 위한 약물로 표적하기 어려웠던 단백질(undruggable protein)을 표적화할 수 있을 뿐만 아니라 연구 목적을 위한 관심 단백질을 제거할 수 있다. 프로테아좀이나 리소좀을 이용하는 분해물질(degrader)이 여러 개 개발됐지만 표적을 분해하는 동시에 세포의 오토파지(cellular autophagic flux)를 가속화하는 기술은 아직 없다. 본 연구에서는 오토파지-타겟팅 키메라(AUTOphagy-TArgeting Chimera, AUTOTAC)라는 일반적인 화학 도구 및 플랫폼 기술을 개발하였다. 이 기술은 오토파지-타겟팅 리간드(autophagy-targeting ligands, ATLs)에 연결된 표적 결합 리간드(target-binding ligands, TBLs)로 구성된 이중 기능성 분자를 사용한다(그림1). AUTOTAC은 오토파지의 가장 잘 알려진 수용체인 p62/Sequestosome-1/SQSTM1의 ZZ 도메인에 결합하여 분리(sequestration) 및 분해를 위해 표적과 올리고머 바디(oligomeric bodies)를 형성하며 활성화된다(그림2). 본 연구진은 생체 내외의 다양한 종양단백질(oncoproteins)과 퇴행성 뇌질환에서 분해가 잘 이루어지지 않는 집합체(degradation-resistant aggregates)가 DC50 값이 나노몰러(nanomolar) 단위로 분해하기 위해 AUTOTAC을 사용하였다. 결과적으로 AUTOTAC 기술은 기초 연구는 물론 의약품 개발에서도 선택적으로 단백질을 분해할 수 있는 플랫폼을 제공하며, 더 많은 질병의 치료제 개발에 기여할 수 있을 것이다.


그림1. AUTOTAC의 speculative model과 작용 메커니즘(mechanism-of-action)


그림2. Mode of action을 보여주는 모델들. a 종양단백질(oncoprotiens)을 표적화하는 AUTOTAC. b 복합체(aggregates)를 표적화하는 AUTOTAC

논문링크 : https://www.nature.com/articles/s41467-022-28520-4

Altered secretome by diesel exhaust particles and lipopolysaccharide in primary human nasal epithelium

J Allergy Clin Immunol, 2022

박무균 교수
(이비인후과교실)

김나현 연구교수
(이비인후과교실)



호흡기 상피세포는 외부자극과 병균이 일으키는 국소적 혹은 전신적 염증발생에 반응하여 대응하고 있다. 디젤 배기 입자는 도시지역 공기오염의 주 원인으로 급성 및 만성 호흡기 질환의 발생과 관련이 있음이 알려져 있다.  본 연구에서는 비강상피세포에서 디젤배기 입자의 노출에 의해 secretome이 변화하는 것을 염증성 자극인 lipopolysaccharide에 의한 경우와 비교하여 미세먼지 노출과 관련된 biomarker를 찾아보려고 하였다. 또한, 이러한 secretome의 변화를 반영할 수는 실제 유소아 중이염 환자의 중이삼출액에서 확인된 biomarker가 미세먼지 노출정도와 상관관계가 있는지 검증하고자 하였다.  
이를 위해 먼저 인간 비강상피를 인체와 유사한 air-liquid interface에서 배양하여 1차 배양한 후 다양한 미세먼지 농도에서 자극을 준 후 배양액의 bottom 쪽으로 분비되는 단백질을 모아 Mass spectrometry 기반의 proteomics 분석과 ELISA를 시행하였다. 이를 통해 다양하게 발현된 protein중에 특히 Leukemia inhibitory factor가 미세먼지 자극 조건에서 증가하는 것을 확인하였다. 이를 검증하기 위해 유소아의 중이 삼출액을 모아서 ELISA를 시행하였고 염증조건이 아닌(IL-17C가 발현되지 않는 조건) 중이 삼출액에서 높게 발현되고 이의 농도가 8일간의 미세먼지 노출의 평균농도와 비례함을 확인하였다. 
본 연구는 미세먼지의 비강노출에 의해 우리 몸으로 분비되는 단백질의 변화가 일어나고 이러한 변화가 실제로 중이의 삼출액에서 측정 가능하다는 것을 보여준 결과로 향후 미세먼지 노출 정도를 확인할 수 있는 biomarker로 활용이 가능할 것으로 보인다.  

논문 링크 : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0091674922000720?via%3Dihub

A Nanostructured Phthalocyanine/Albumin Supramolecular Assembly for Fluorescence Turn-On Imaging and Photodynamic Immunotherapy

ACS Nano, 2022

유지윤 박사과정
(의과학과)

이동섭 교수
(의과학과)



면역체크포인트 항암면역요법은 가능성이 높은 치료법임에도 불구하고, 실제 암 환자 중에서는 평균 15% 정도의 환자에만 적용 가능하다. 면역체크포인트 항암면역요법이 듣지 않는 암을 치료하는 데에는 암특이 T세포를 강력하게 활성화시킬 수 있는 방법이 중요하며, 아직 숙제로 남아있는 부분이다. 본 연구는 혈액 내에서 나노복합체를 형성하면서 낮은 pH에 반응하는 광역학물질을 제작하여, 정상 조직보다 상대적으로 낮은 pH를 띄고 있는 암조직에 선택적으로 농축시킨 후, 레이저를 이용한 광학 에너지를 조사하여 광역학반응을 일으켜 물질을 활성화(turn ON)시켜 시각화하면서 동시에 활성화된 광역학물질이 주변 조직인 암조직에서 활성산소(ROS)를 생성시켜, 암세포를 파괴할 뿐 아니라, 노출된 암항원에 대한 특이 T세포를 활성화시켜 숙주의 면역계가 암특이 면역반응을 일으키게 유도하였다. 또한 면역체크포인트억제제(immune checkpoint blockade)를 병용 투여하였을 때, 더욱 강력한 면역반응을 유도하였으며, 전이암에서도 암특이 T세포를 효과적으로 활성시키며, 골수유래면역억제세포(Myeloid-derived suppressor cells)는 억제하였다. 따라서 본 연구는 면역성광역학치료법(immunogenic photodynamic therapy)과 면역체크포인트억제제 치료법의 조합이 임상에서 치료하기 어렵고 전이 가능성이 있는 암종들의 치료를 위한 전략이 될 수 있다는 것을 보여주었다.




연구 내용 모식도

논문링크 : https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c10565

Implantable device actuated by manual button clicks for noninvasive self-drug administration

Bioengineering & Translational Medicine, 2022


최영빈 교수
(의공학교실)

조영민 교수
(내과학교실)

김초림 박사과정
(의공학교실)



당뇨병, 고도비만과 같은 만성 질병 치료를 위해 많은 환자들이 약물을 스스로 자가 주사 투여하고 있는데, 인슐린의 경우 많게는 매일 3-4회 바늘로 피부를 뚫고 주사해야 한다. 하지만 바늘을 통한 자가 주사 약물 투여는 환자들에게 바늘 공포증, 통증, 감염, 찔림 사고와 같은 많은 불편함을 야기한다. 전체 환자군 중 20-30%는 아주 극심한 바늘 공포증을 가지고 있으며 특히 인슐린을 투여하는 전체 환자 중 1/3 이상이 이러한 바늘 공포증의 영향을 받는다고 보고되고 있다. 
이를 해소하고자 단 한 번의 이식으로 비침습적으로 몸 밖 피부에서 간편하게 손가락으로 ‘클릭’ 하여 체내에 매우 정교한 양의 약물을 주입할 수 있는 이식형 디바이스를 개발하였다. 개발한 디바이스는 ‘클릭’ 방식의 무전원 기계식 구동으로 약물을 방출하여 배터리 수명에 의한 교체가 필요 없어 이식 후 반영구적 사용이 가능하다. 또한, 약물 방출 재현성이 매우 높아 ‘클릭’ 회수 조절을 통해 손쉽게 약물 투여량을 조절할 수 있다. 피부 위에서 손가락으로 클릭할 때 누르는 힘의 크기도 통증을 느끼는 힘의 범주 아래로 설계하여 환자 친화도가 높은 것이 특징이다. 
개발한 디바이스에 exenatide를 탑재하여 비만/당뇨모델 동물에 이식한 후 매일 피부 위에서 손가락으로 클릭하여 28일간 약물을 주입하였을 때, 매일 기존 방식대로 바늘 주사로 피부를 뚫어 약물을 투여한 동물들과 비교하여 거의 동등하게 음식 섭취량과 몸무게가 감소함을 확인하였다. 인슐린 저항성 지표인 Matsuda index가 약물 투여를 하지 않은 그룹에 비하여 통계적으로 유의하게 낮았고, 마찬가지로 기존 바늘 주사로 약물을 투여한 그룹과는 동등하였다. 디바이스에 insulin 또는 glucagon을 탑재하여 당뇨 모델 동물에 이식 후 클릭하여 주입하였을 때 혈당이 낮아지고 높아지는 효과가 기존 방식대로 바늘 주사하여 인슐린을 투여한 그룹과 동등함을 확인하였다. 디바이스를 56일간 장기간 동물에 이식하여 평가하였을 때, 특이한 이물반응이나 독성이 보이지 않았다. 이러한 결과를 바탕으로 현 연구에서 개발된 디바이스가 기존 바늘 주사를 통한 자가 약물 투여 방식을 대체할 수 있을 것으로 기대하였다. 
이번 연구는 ‘BIOENGINEERING & TRANSLATIONAL MEDICINE’ 최근호에 게재됐다. 
해당 연구는 한국연구재단 개인기초연구사업(중견연구)과 서울대학교병원 집중육성 원내과제의 지원을 받아 수행됐다. 현재 이 기술은 최영빈 교수가 교원창업한 투바이오스(주)에 이전되어 상용화를 위한 개발이 진행되고 있다.

그림. 단 한 번의 이식 후 피부 위에서 손가락으로 ‘클릭’ 하면 정교한 양의 약물이 방출되는 디바이스

논문링크 : https://aiche.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/btm2.10320
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