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세미나 및 칼럼

<켐온 칼럼> 노화독성학: 조기 세네센스 이해를 통한 Alzheimer‘s disease의 새로운 기전과 치료제 개발의 방향 - (19)

Chemon CRO로의 확장 배경 

○ <켐온 칼럼>-18에서 소개된 논문 <Yanling Hu, Gemma L. Fryatt, Mohammadmersad Ghorbani, Daniel Thomas, Mark S. Cragg, Diego Gomez-Nicola. Replicative senescence dictates the emergence of disease-associated microglia and contributes to Aβ pathology. Cell Reports 35, 109228 June 8, 2021. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109228>은 알츠하이머와 복제 세네센스의 인과관계에 대해 가장 최근에 발표된 것이다. 요즘 생명과학과 관련된 논문을 읽으면서 자주 느끼는 것은 동물의 in vitro 및 in vivo을 포함하여 역학적 및 임상적 논문이 연결되는 경우가 많다는 것을 알 수 있다. Yanling Hu 등의 논문도 비임상과 임상적 결과를 연결하여 알츠하이머와 복제 세네센스의 인과관계를 밝힌 사례라고 할 수 있다. 때론 나 같은 경우에는 논문을 2-3개 쪼개어 분량적으로 늘리는 유혹을 수용하지 않았을까 하는 마음이 가졌을 것 같다. 이러한 마음이 지난 30여 년 동안 자신을 지배하여 오늘날 내 세울만한 논문 한편 없는 현실이 되지 않았나 하는 생각도 든다. 비임상과 임상 연구를 함께 연결하여 약물 개발에서 여러 단계별로 협력적 체계를 구축하여 시험수행 및 컨설팅을 하는 연구를 중개연구(translational research)이라고 한다. 미국에서 의학 및 생명 분야에서 가장 많은 노벨상을 탄 학자들의 이력 중 하나가 Medical Doctor이면서 동시에 Ph.D(Doctor of Philosophy) 학위를 가진 것이다. 즉, 인체를 알고 생명과학에 대한 기초지식을 가지면 그 만큼 인류의 보건적 문제 해결에 큰 도움이 된다는 것이다. 미국 등에서는 중개연구소가 활발하게 이루어지고 있다. 국내의 비임상 분야와 임상 분야에 있어서 상호보완적인 연결성은 과연 어떨까? 거의 단절이라고 생각하면 된다. 이러한 문제점은 노벨상이 아니라 글로벌 신약 개발도 어려운 배경이 되고 있다. 켐온이 비임상 분야에서 임상 영역으로 국내외에서 최초로 아래 <그림>처럼 Chemon CRO로의 확장 및 재탄생하려는 이유도 바로 여기에 있다. 즉 미래에는 다양한 신약 플랫폼이 끊임없이 새롭게 생성되고 이는 미처 가이드라인 설정도 어려운 상황이 예측되는 이유가 된다. 이에 비임상-임상-비임상-임상 등의 순으로 보완을 거듭하면서 반복될 수 밖에 없다. 

 

             <그림> Chemon CRO의 translation research 개념도 

○ 이와 같이 켐온이 비임상에 대한 독성 및 유효성에 대한 컨설팅뿐만 아니라 비임상의 연구가 임상연구 및 사회집단과의 연결을 통한 보다 빠르고 최첨단의 지식으로 개발 컨설팅 및 중개연구 수행을 위해 다음과 같은 예시를 들 수 있다. 

Chemon CRO를 위한 예시 논문

<비임상>

1. 미세교아세포와 연관하여 동물모델을 이용한 알츠하이머 질환의 기전에 대한 이해

○ <켐온 칼럼>-18에서 소개된 논문에서 알츠하이머 질환과 복제 세네센스의 인과성에 대한 가장 중요한 내용은 와 다음의 결과라고 사료된다; The relative telomere length of the global population of microglia in APP/PS1 mice was not statistically different from that of wild-type (WT) mice (Figures 2E). However, when comparing DAM (CD11C+) to homeostatic microglia (CD11C+), we observed a significant telomere shortening in DAM (Figure 2F). 여기서 APP/PSI 마우스란 인간의 APP와 PS1-related mutant를 삽입한 double transgenic mouse-기반의 알츠하이머 동물모델로 아밀로이드 베타(Aβ)의 과발현이 이루어진다. 그리고 DAM(disease-associated microglia) 동물모델은 미세아교세포(microglia)의 활성화를 통해 퇴행성신경세포 질환을 유발하는 모델이다. 그림 E)에서처럼 APP/PSI 동물모델에서는 미세아교세포의 텔로미어 단축이 없지만 DAM 모델에서는 미세아교세포의 텔로미어 단축이 발생한 것이다. 알츠하이머 질환은 1-2년 사이에 발생하지 않고 십 수십년 동안에 걸쳐 발생하는 뇌신경 퇴행성 질환이다. 이점을 고려할 때 단순히 돌연변이 유전자 삽입을 통한 베타 아밀로이드의 축적을 기반으로 한 Alzheimer‘s disease-like pathology 동물모델은 예방과 치료제 개발을 위한 적절한 동물모델이 될 수 없다. 이는 알츠하이머 질환의 원인으로 제시되고 있는 신경세포 내부에서 발생하는 타우단백질의 misfold와 외부에서 발생하는 아밀로이드 단백질의 misfold를 유도하는 원인이 신경세포 자체의 세포노화에 기인하지 않기 때문이다. 즉 체세포의 노화는 분열을 통한 유한적인 배가증식(population doubling)의 비가역적으로 영구적 분열 중지에 기인한다. 그러나 신경줄기세포에서 분화된 신경세포는 13세가 되면 새로운 생성이 거의 없는 것으로 학계에서 받아들이고 있다. 이는 신경줄기세포에서 기원한 모든 신경세포는 배가증식이 없기 때문에 노화하는 개념 자체가 없고 죽거나 다소 기능이 감소 정도로 표현된다. 그러나 신경줄기세포에서 유래하지 않고 대식세포에서 유래한 뇌조직의 미세아교세포(microglia)는 유일하게 분열이 이루어지며 노화의 마크인 텔로미어 길이의 단축과 더불어 정상적인 복제 세네센스가 이루어진다. DAM(disease-associated microglia)의 동물모델이 APP/PSI 마우스 모델보다 노화성 신경퇴행성 알츠하이머 질환의 발생 기전에 대한 연구과 약물 개발 연구에 훨씬 더 적절한 모델이라고 할 수 있다. 아래의 Figure 2에서의 E에서처럼 APP/PSI 마우스 모델에서는 미세아고세포의 텔로미어 길이가 대조군의 텔로미어 길이와 비교하여 유위한 결과가 없다. 반면에 [Figure 2]의 E에서처럼 DAM 동물모델의 미세아교세포에서 텔로미어 길이가 대조군과 비교하여 유의한 차이가 확인되었다. 이는 APP/PS1 마우스 모델이 노화성 신경퇴행성 질환인 알츠하이머 질환에서 노화성과 퇴행성 개념이 배제된 동물모델이며 예방과 치료제 개발에 장애와 한계가 있다는 것을 의미한다. 

  

 

<임상>

2. 미세교아세포와 연관하여 알츠하이머 환자와 대조집단과의 코호트 연구  

    - Human microglia display markers of senescence in AD  

○ 앞서 비임상에서 확인된 미세아교세포의 복제 세네센스와 알츠하이머 질환과의 연관성도 확인 되었듯이 임상시험에서도 이러한 연관성이 확인되어야 한다. 이를 위해서는 기초와 임상의 중개연구 및 최첨단 지식에 대한 컨설팅이 요구되는 부분이라고 할 수 있다. 

1) SASP(senescence-associated secretory phenotype, 세네센스-연관 분비체)

○ 아래의 <그림-2>에서처럼 조기 세네센스 세포(senescent cell)는 특정 물질의 생산 및 분비를 통해 세네센스 세포 그 자체에 영향을 주는 자가분비형 신호전달(autocrine signaling), 그리고 주변 다른 정상적인 세포에 영향을 주는 측분비 신호전달(paracrine signaling) 기능을 한다. 세네센스 세포가 분비하는 물질을 SASP(senescence-associated secretory phenotype, 세네센스-연관 분비체) 또는 SMS(Senescence Messaging Secretome, 세네센스-송달 분비체)이라고 한다. SASP는 β-galactosidase(βgal+)와 더불어 복제 세네센스의 대표적인 바이오마커이다. 이들 SASP는 발암 억제 유전자의 p16과 p21 단백질, 사이토카인 케모킨, 성장인 그리고 단백질분해효소 등의 혼합물로 구성되어 있으며 잠재적 염증(pro-inflammation) 유발 요인이 되며 세네센스 세포의 바이오마크가 된다. 특히 SASP/SMS에 의한 paracrine signaling은 세네센스 세포가 주변의 다른 젊은 세포나 원거리 세포를 자극하여 세네센스 세포로의 전환을 유도하게 되는 것으로 알려졌다(Calcinotto et al., 2019).  

 

<그림-1> 세네센스 세포의 바이오마커 SASP와 cell to cell signaling

[Calcinotto et al., 2019]

2) 알츠하이머 환자와 정상대조군의 미세아교세포에서 SASP 비교 분석

 ○  [Figure 4]의 A)와 B)에서는 알츠하이머 환자(AD case)와 연령-보정 비치매 대조군(age-matched non-demented controls, NDC)의 뇌측두피질의 회백질(the gray matter of the temporal cortex)에 존재하는 미세아교세포의 세네센스 바이오마커에 대한 비교분석이다. AD case에서 NDC보다 유의하게 증가된 SASP, 즉 p16 및 p21 단백질 함량이 핵 부근에서 확인되었다. 그러나 미세아교세포의 핵 외에 다른 세포표면(cell surface)이나 세포체(cell body)에서는 [Figure 4]의 C)에서처럼 유의한 차이가 없었다. 이외에도 미세아교세포의 세네센스 SASP인 PAI1, P19, P16, P21, CASPASE-8 (CASP8), IL-1b 그리고 IL-6 등의 mRNA가 증가하는 것이 확인되었다. 따라서 미세아교세포의 복제 세네센스와 AD와의 밀접한 관계가 있는 것으로 추정되었다.  

 

   

<비임상>

3. 미세아교세포의 조기 세네센스와 알츠하이머 질환과의 인과성

○ 조기 세네센스(premature)이란 내외부 자극에 의한 세포가 증식 및 활성화되어 정상적인 세네센스에 도달하는 것보다 더 빠르게 비가역 세포분열 중지 상태를 의미한다. 뇌조직에서 신경줄기세포에서 유래하지 않는 유일한 세포가 미세아교세포(microglia)이며 유일하게 복제 세네센스가 진행되는 세포이다. 따라서 미세아교세포의 조기 세네센스는 <그림-1>에서처럼 SASP와 cell to cell signaling의 paracline 및 autocrine 기전을 통해 주변 세포에 영향을 주어 본질적인 기능을 상실하거나 조기 세네센포를 유도하게 된다. 그러나 뇌조직에서는 미세아교세포만이 조기 세네센스가 유도되기 때문에 분열되지 않는 신경세포에서는 조기 세네센스보다도 알츠하이머 등 신경퇴행성뇌질환의 병리적 현상이 촉진될 것으로 사료된다. 다름 사례, "Inhibition of early microglial proliferation prevents the onset of microglial senescence and ameliorates amyloid-related pathology" 즉 미아아교세포의 증식 및 활성화 즉 조기 세네센스의 지연을 유도하면 amyloid-related pathology의 알츠하이머 질환이 개선할 것이라는 가정 하에 비임상시험이 [Figure 5]의 A)와 같이 APP/PS1 마우스 모델을 이용하여 수행되었다. 미세아교세포의 증식을 유도하는 CSF1R(Colony Stimulating Factor 1 Receptor)에 대한 저해제(CSF1R inhibitor)인 GW2580을 베타 아밀로이드 플라크의 발생 직후에 투여하였을 경우와 대조군인 RM1군을 4개월 동안 관찰 후 비교한 결과, 분열에서 나타나는 미세아교세포의 팽창(expansion)뿐만 아니라 페포의 수적으로 현저히 감소되는 것이 확인되었다. [Figure 5]의 B)는 세네센스의 바이오마커인 β-galactosidase(βgal+) 감소, 그리고 [Figure 5]의 C)에서는 DAM(disease-associate microglia)의 감소가 CLEC7A+, CD11C+와 MHCII+ 등의 세포주에서 각각 확인되었다. [Figure 5]의 D)에서는 DAM를 가진 APP/PS1 동물모델에서 DAM의 유(%CDC+microglia)무( %CDC-microglia)에 따라 GW2580에 의한 미세교아세포의 수가 APP/PS1 동물모델에서 영향을 받는 것으로 확인되었다. 즉, DAM을 가진 동물에서 GW2580에 의한 미세교아세포의 수적 감소율이 훨씬 높았다. DAM이 없는 군에서 GW2580에 의한 미세교아세포의 수는 두 군에서 유의한 차이가 확인되지 않았다. 이는 DAM에 의한미세아교세포 증식이 조기 세네센스 현상을 유도하는 것이 APP/PS1 마우스 모델에서 확인되었다는 것을 의미한다. [Figure 5]의 E)의 왼쪽 사진에서는 DAM을 가진 CLEC7A+ 미세아교세포에서 GW2580에 의한 세포사멸의 바이오마커인 caspase-3이 확인되지 않았다. 반면에 오른쪽 사진은 GW2580 처리하지 않은 APP/PS1 mice에서는 미세아교세포 세포사멸의 바이오마커인 caspase-3가 확인되었다. 이는 미세아교세포의 활성화가 세포사명을 유도하는 것으로 추정되는 결과라고 할 수 있다. 

 

 

○ 신경질환-관련 미세아교세포 집단인 DAM은 뇌조직에서 베타 아밀로이드(Aβ) 생성에 있어서 간접적인 영향을 아니라 직접인 영향을 준다는 것이 확인되었다. APP/PS1 미우스 모델에서 미세아교세포가 활성화를 통해 DAM으로의 전환에 대한 선택적 예방은 Aβ에 의한 병리학적 진행을 유의하게 막아준다. [Figures 6A 6C]에서처럼 Aβ 플라크가 미세아교세포의 활성 저해제인 GW2580에의해 대조군(RM1)에서 현저히 감소되는 것이 APP/PS1 마우스 질환모델에서 확인되었다. 이러한 현상은 [Figures 6D 6F]에서처럼 LAMP1(lysosomal associated membrane protein 1) 비정상 신경돌기(dystrophic neurites)의 감소로 Aβ 플라크와 관련된 축삭 병리 현상이 유의한 감소에 기인한다. 미세아교세포의 세네센스 저해와 DAM으로의 전환에 있어서 감소는 신경연접 후부위 (post-synaptic, PSD95+)의 원만한 보존을 유지하게 한다. 그러나 반대 상황인 경우에는 [Figures 6G and 6I]에서처럼 APP/PS1 마우스 모델에서 신경퇴행이 유발된다. 또한 GW2580에 의해 APP/PS1 마우스 모델의 신경연접 전부위(presynaptic compartment 또는 synaptophysin+)에서도 신경퇴행성이 관찰되지 않았다.(Figures 6H and 6J). Figure 6에서의 결론은 지나친 미세아교세포의 증식은 premature senescence 유도 이에 의한 조기 세네네스로 DAM에 기인한 β amyloid- related pathology를 촉진시키는 것으로 이해된다.  

 

 

                                                           Chemon CRO의 중개연구 방향 

○ 보고에 의하면 비임상에서의 유효성 및 안전성 시험의 결과가 임상에서 예측할 수 있는 10%에 불과하다. 이러한 차이는 3가지 측면에서 이해할 수 있다. 첫 번째이유는 독성 및 인체에서 있어서 종간 차이에 대한 이해 부족, 두 번째 이유는 독성 및 유효성의 용량-반응 관계를 얻기 위한 부적절한 용량의 설정, 마지막 세 번째는 치료제 개발을 위한 발병의 기전에 대한 이해의 부족 등으로 요약된다. 이러한 이유로 약물 개발에서 장애물을 극복하기 위해 비임상-임상 연계의 중개연구의 절실히 필요하다고 할 수 있다. 그러나 무엇보다도 중요한 것은 독성과 유효성의 기본적인 접근 및 이해의 차이이라고 할 수 있다. 신물질의 독성을 확인하기 위해서는 국가 및 세계기구가 제시한 가이드라인을 적용하여 수행되는데 이는 biological plausibility(생물학적 개연성)에 초점을 두어 작성된다. 따라서 독성시험에서 가이드라인 변경은 그렇게 쉬운 일이 아니며 더욱이 첨단 지식이라는 것이 거의 배제되어 있다. 반면에 유효성 시험에서도 일정한 가이드라인이 있지만 질병의 치료에서 있어서 안전성이 확보된 상태에서 임상시험의 긍정적인 결과가 중요하다. 따라서 유효성 확인을 위해서는 최첨단 지식을 응용하고 접목하는 강도가 약물 개발의 성공 여부를 결정할 정도로 중요하다.  

○ 여기서 소개된 알츠하이머 질환의 동물모델인 APP/PS1 마우스 모델은 유전자 돌연변이를 이용하여 베타 아밀로이드 생성을 유도하여 AD-like pathology를 응용한 것이다. 이를 기반으로 단순히 베타 아밀로이드 플라크를 제거하는 기전만 응용하기 때문에 지난 몇 십년 동안 알츠하이머 치료제를 개발하지 못한 이유이다. 이 모델에서 가장 중요하게 고려되지 않은 것은 알츠하이머 질환이 단순히 유전자 돌연변이에 의해 발생하는 것이 아니고 장기간 걸쳐 신경세포의 죽음과 기능 상실에 걸쳐 발생하는 퇴행성 및 노인성 질환이며 거의 사망하기 5-10여 전에 발생한다는 점이다. 앞서 세포노화가 개체노화를 촉진함은 이미 잘 알려져 있고 복제 세네센스로 설명되고 있다. 이러한 사실을 고려할 때 뇌조직에서 복제 세네센스가 진행되는 유일한 신경계 계통의 세포인 미세아교세포에 대한 이해가 알츠하이머 병인론에 보다 더 집중적이었어야 했다. 앞서 소개된 논문은 이와 같은 관점에서 비임상-임상-비임상 연구를 통해 미세아교세포의 복제 세네센스에 의해 베타 아밀로이드 플라크가 증가되는 것이 확인되었다. 이러한 점은 알츠하이머뿐만 아니라 파키슨 질환 등에 의한 비가역적 치매를 예방하고 치료제 개발하는데 있어서 복제 세네센스 현상에 연관하여 비임상 영역에서 새로운 동물 모델과 임상시험에서도 이에 적합한 바이오마커 개발이 요구된다.

○ Chemon CRO는 신약 개발의 비임상 및 임상 영역에서 장애를 극복하기 위한 실험적 및 이론적 기전에 기반을 둔 중개연구와 체계적인 컨설팅을 준비하고 있습니다. 특히 퇴행성질환 질환 치료제 개발에 있어서 여러분과 함께 하길 기대하고 있습니다.

 


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