서울대학교 의과대학 안규리 교수 연구팀과 수의과대학 이병천 교수 연구팀에서는 지식경제부 산업원천기술 개발사업의 지원 하에 이종 췌도이식시 발생하는 면역거부반응을 조절할 수 있는 췌도이식용 형질전환 복제돼지의 생산에 성공했다.
당뇨병의 근본적인 치료법은 췌장에서 인슐린을 분비하는 세포인 췌도의 직접적인 이식이지만 사람의 췌도이식은 췌도의 제공이 절대적으로 부족한 심각한 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 돼지의 췌도를 이용하는 이종 췌도이식에 대한 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다.
바이오 인공 췌장이란 당뇨병치료를 위해 돼지의 췌도를 분리 및 가공해 환자에 이식함으로써 인슐린 분비 기능을 대신하도록 개발된 췌장을 말하며 이를 위해 연구팀은 췌도 이식용 형질전환 복제돼지를 개발하고 있다.
바이오 장기 생산용 돼지의 장기를 사람에 이식하는 '이종 장기이식'은 빠르고 강한 거부반응인 초급성거부반응이 발생하는 반면에 췌도만을 이용하는 '이종 췌도이식'의 경우는 장기이식과는 달리 직접 혈관을 연결하지 않고 체내에 삽입하는 방법으로 이종 이식시 가장 문제가 되는 초급성거부반응을 걱정하지 않아도 된다. 이러한 이유로 인해 이종 췌도이식이 이 분야에서 가장 빨리 실용화될 것으로 예측되고 있다.
그러나 이종 췌도이식 후에도 급성혈액매개성 염증반응 (IBMIR)과 급성 세포매개성 거부반응이 발생할 수 있다. 이는 췌도이식 부위에 혈액의 직접적인 노출과 면역세포들이 유입되면서 발생하게 되며 다양한 매개 물질들에 의해 반응이 유도된다.
이 연구팀은 이종 췌도이식시 발생하는 면역거부반응을 극복하기 위해 염증반응을 조절하는 억제물질이 발현되는 형질전환 복제돼지를 세계 최초로 생산했다.
이번 연구팀의 형질전환 복제돼지는 이종 췌도이식시 염증 반응을 유도하는 것으로 잘 알려진 대표적인 면역매개 물질인 종양괴사인자(TNF-α)를 차단시키는 특정단백질(sTNFRI-Fc 융합단백질)이 발현되는 돼지이다.
임상적으로 종양괴사인자 차단 단백질은 류마티스성 관절염의 치료제로 사용 중이다. 이번에 생산된 형질전환 돼지의 췌도를 사람에게 이식시 유도되는 면역 거부반응을 상당부분 억제할 수 있을 것이며 더 나아가 고형장기 이식에도 상당한 면역반응 억제효과를 보일 것으로 기대된다.
연구팀은 이 특정 융합단백질(shTNFRI-Fc 융합단백질)이 발현되는 돼지로부터 유래한 혈청을 종양괴사인자로 자극시 면역거부반응이 차단되어 효과적으로 면역이 억제됨을 검증했다. 이 췌도이식용 형질전환 복제돼지는 본 연구팀에서 세계 최초로 개발해 생산한 형질전환 복제 돼지로 현재까지 보고된 바가 없다.
또한 자연교배를 통해 형질전환 돼지의 2세대 형질전환 돼지 3두(암컷 1두, 수컷 2두)를 확보했고 이를 통해 본 형질전환 돼지의 개체수 확보는 물론 다른 형질전환 돼지와의 교배를 통한 다중 형질전환 돼지 생산의 기반을 마련했다.
형질전환 돼지 2세대의 성공적인 생산은 shTNFRI-Fc 형질전환 돼지의 개체수 확보에 큰 의미가 있으며 나아가 다른 형질전환 돼지와의 교배 등을 통해 다중 형질전환돼지 개발에 기반이 될 것으로 생각된다.
국내에서도 이종 이식용 형질전환 돼지의 개발연구가 활발하게 진행 중이고 최근 알파갈 적중 돼지생산 등 몇몇 성과들이 보고되고 있다.
그러나 기존 보고들이 돼지생산 자체 보고에 그친 반면 이 연구는 목표 분자의 발현을 다양한 각도에서 확인했고 무엇보다 돼지로부터 분리한 세포의 기능을 검증함으로써 그 성과를 인정받아 이식 분야의 저명한 학술지인 'Transplantation'지에 게재승인을 받았다. 현재 국내 특허 출원상태(출원번호 제10-2011-0006561호)이다.
이외에 본 연구팀은 세포보호 기능을 하는 항산화 유전자 형질전환 돼지를 생산했고 기능을 검증해 논문 투고 예정이며 최근에는 장기이식시 급성거부반응에 관여되는 가장 주요한 유전자로 알려진 알파갈 유전자 2개를 모두 제거한 형질전환 돼지를 확보했다.
국내에서 복제를 통해 알파갈 유전자 2개가 완전히 제거된 돼지가 태어난 것은 처음이다. 본 연구팀은 꾸준한 노력으로 이종이식 분야 연구에 지속적인 성과를 내고 있으며 이를 바탕으로 이종이식 실현에 이바지할 것이다.
※기존 개발 기술과 차이점
최근 국내에서도 보고된 바 있는 알파갈 적중 돼지 및 보체 조절인자 형질전환 돼지나 여러 해외 연구진들이 개발한 형질전환 돼지들은 대부분 초급성 거부반응을 극복하기 위한 시도로 개발됐다.
이러한 형질전환 돼지들은 고형장기(간, 신장, 심장 등) 이식을 위한 연구에 주로 사용됐다. 그러나 췌도이식에서는 이런 초급성 거부반응이 발생하지 않기 때문에 본 연구진이 개발한 sTNFRI-Fc 융합단백질 형질전환 돼지는 급성혈액매개성 염증반응(IBMIR)이나 급성 세포매개성 거부반응 조절에 초점을 둔 이종 췌도이식에 특화됐다는데 의의가 있다.
해외에서 또 다른 면역억제 물질인 인간 CTLA-4Ig 융합단백질 형질전환 돼지를 생산했으나 돼지 자체의 면역결핍을 유발해 형질전환 돼지가 건강하지 못한 문제점이 있었으나 본 연구진이 개발한 인간 sTNFRI-Fc 융합단백질 형질전환 돼지는 인간 염증반응을 효과적으로 억제하지만, 돼지 염증반응에는 억제 효과가 상대적으로 약하기 때문에 이런 부작용이 나타나지 않고 건강하다는 장점이 있다.
※연구진 소개
서울대학교 의과대학 안규리 교수 연구팀은 이식면역 분야를 연구하고 있으며 특히 이종 이식에서 발생하는 선천면역 반응에 관한 많은 연구논문을 발표했다.
최근에는 이종 고형장기 이식뿐만 아니라 바이오인공췌장 등 이종췌도이식에 관한 많은 연구를 진행하고 있으며 거부반응 억제에 핵심적인 목표분자를 발굴하여 이를 형질전환돼지 생산으로 연결하고 있다.
서울대학교 수의과대학 이병천 교수 연구팀은 체세포 복제 분야에서 세계적인 선도 그룹이며 형광유전자를 발현하는 최초의 형질전환복제개의 생산 및 항산화, 항염증 유전자를 발현하는 형질전환돼지에 관한 성공적인 기술 확보를 통한 인간질병모델 동물생산을 위한 연구에 매진하고 있다.
이 연구는 이종 췌도이식시 염증반응을 조절하는 목표분자를 발굴 및 제작하는 서울대학교 의과대학 안규리 교수팀과 선정된 분자의 발현이 조절된 형질전환 복제돼지를 생산하는 서울대학교 수의과대학 이병천 교수팀에 의해 수행됐다.
＊연구비 지원 프로그램
이번 연구는 지식경제부(장관 최중경)가 지원하는 산업원천기술 개발사업의 당뇨병치료 혁신기술 개발(총괄책임자 한화엘앤씨(주) 최원석) 과제로 한화엘앤씨(주)(대표자 김창범)이 산업체로 참여했다. 과제번호 : 2009-67-10033805
※기대효과
이 연구진의 sTNFRI-Fc 형질전환 돼지생산은 의학적 측면이나 산업적 측면에서 모두 유용하게 활용될 수 있다.
의학적 측면에서는 면역거부반응을 일으키지 않는 sTNFRI-Fc 형질전환 복제 돼지유래의 췌도를 사람에게 이식하고 면역조절제를 병용한다면 부작용이 크지 않으면서 보다 높은 치료효능을 보일 것으로 기대된다. 그 결과 현재 급속도로 증가하고 있는 당뇨병환자들 중 많은 환자들을 치료할 수 있을 것으로 기대된다.
더 나아가 또 다른 분자가 발현되는 형질전환 돼지들과의 교배를 통해 다중유전자 발현 돼지의 생산이 가능하다. 이렇게 생산된 형질전환돼지는 췌도이식 뿐만 아니라 고형장기 이식을 위한 다양한 임상 연구 활용이 가능하며 그 효능이 검증된다면 이종장기 이식을 통한 장기부족문제의 해결을 위한 단초를 제공할 것으로 기대된다.
산업적인 측면에서는 향후 이 연구결과인 sTNFRI-Fc 형질전환 복제돼지의 의학적 효능이 확립된다면 이들의 대량생산을 통한 고부가가치 산업화로 높은 수익이 창출될 것으로 기대된다.
