우리의 신체는 줄기세포를 통해 성장과 재생을 반복합니다. 암 조직에도 줄기세포가 있다고 합니다. 종양근원세포로도 불리는 암 줄기세포는 종양을 생성할 수 있는 능력을 가진 세포인데요. 수술이나 항암치료로 눈에 보이는 암을 제거하더라도 암 줄기세포가 살아남으면 재발 확률이 높아집니다.
게다가 암 줄기세포는 손상된 암세포를 복구시키고 세포 밖으로 약물을 배출하는 특성이 있어 암 치료를 더 어렵게 만듭니다. 암의 근본적인 치료를 위해서는 암 줄기세포를 식별해 제거하는 일이 중요합니다. 하지만 기존 탐지 기술은 암 줄기세포만을 뚜렷하게 구분하기 어려웠습니다. 또한 탐지체(프로브)가 세포 내부 바이오마커에 접근하지 못해 생체 환경에서 탐지가 어렵다는 한계도 있었죠.
이런 가운데 기초과학연구원 복잡계 자기조립 연구단 장영태 부연구단장 연구팀이 암 줄기세포만 선택적으로 추적하는 새로운 형광물질을 개발했습니다.<Journal of the American Chemical Society>에 게재된 논문에 따르면 연구팀은 형광물질 타이니어(TiNIR)를 개발하고, 동물실험을 통해 항암 치료 가능성을 확인했다고 합니다.
형광물질 주사하니 생존율 UP
연구진은 암 줄기세포에서 HMOX2라는 단백질이 특이적으로 높게 발현됨을 확인하고 이를 바이오마커로 표적해 결합할 수 있는 새로운 형광 프로브 타이니어(TiNIR)를 개발했습니다. 여기서 타이니어란 종양근원세포(TIC, 암 줄기세포)를 탐지하면 근적외선 영역대의 빛을 내는 형광물질을 말합니다.
종양근원세포와 비종양근원세포를 이용해 선별된 TiNIR는 더 확장된 세포종류에서 종양근원세포 선택성이 확인됐으며 환자 유래의 시료를 이용한 종양유도생쥐(PDX: patient-derived xenograft model)에서도 종양근원세포의 시각화 및 추적, 세포 분리에 성공했습니다. 연구팀은 TiNIR와 결합하는 파트너 단백질을 gel running 실험, LC-MS 분석, RNA-seq 분석을 이용해 종합적으로 확인하고 새로운 바이오마커인 HMOX2를 발굴했는데요.
저농도의 타이니어를 세포에 주입하면 타이니어는 HMOX2 단백질과 결합해 적외선 영역의 형광을 내며 암 줄기세포를 시각화합니다. 살아있는 암 줄기세포를 염색하지 못했던 기존 기술의 한계를 극복한 것이죠. 연구진은 이후 생쥐에 타이니어를 직접 주입해본 실험에서도 높은 선택성으로 살아있는 암 줄기세포를 추적할 수 있음을 확인했습니다.
이어 연구진은 고농도 타이니어를 통한 항암 치료 효과도 확인했습니다. 연구진은 폐암을 유발한 생쥐에게 100μM의 고농도 타이니어를 이틀 간격으로 반복 주사했는데요. 약물을 처리하지 않은 쥐는 종양이 점점 자라나 무게가 1.14g에 이른 반면, 고농도 타이니어를 주사한 쥐의 경우 종양의 생장이 억제돼 그 무게가 0.16g에 불과했다고 합니다.
생존율도 크게 증가했다고 합니다. 암 발생 85일 이후 폐암 쥐가 생존할 확률은 거의 없지만 고농도 타이니어를 주사한 경우 생존율이 70%까지 대폭 증가했습니다. 장영태 부연구단장은 "HMOX2의 기능이 억제되면 암 줄기세포 내 활성산소종(ROS)이 축적되고 이는 세포의 자살을 유도하는 것은 물론 줄기세포로서의 특성을 잃게 만든다"며 "고농도의 타이니어가 HMOX2의 기능을 억제하기 때문"이라고 설명했습니다.
장영태 부연구단장의 설명처럼 연구팀은 세포 실험에서 고농도의 TiNIR가 ROS를 세포 내에 농축시키고 결국 세포자살을 유도한다는 것을 확인했습니다. 이런 현상은 생쥐실험에서 반복적인 TiNIR의 투여로 검증됐으며 연구팀은 실험을 통해 종양 생장의 억제, 수술 후 재발 억제, 종양 유도 생쥐의 생존율 증가 등의 의미 있는 결과를 확인할 수 있었습니다.
이번 연구는 암 줄기세포를 환자에서 추적하고 제어할 수 있는 형광물질 기반 프로브를 개발한 것으로 향후 암의 사후 관리와 치료율 향상에 기여할 것으로 기대됩니다. 암 줄기세포가 다른 기관으로 암을 전이시키는데도 관여하는 것으로 알려진 만큼 연구팀은 향후 추가 연구를 통해 암의 전이 능력까지 억제할 수 있는 프로브를 찾아 나설 계획입니다.
이번 연구를 주도한 장영태 부연구단장은 "이번 연구는 새로운 바이오마커와 형광 프로브의 발견을 통해 암 치료의 새로운 가능성을 제시했다"며 "폐암뿐만 아니라 다른 종류의 암도 표적할 수 있음이 확인된 만큼 추가 연구를 통해 범용 암 치료제를 개발해볼 계획"이라고 말했습니다.
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