고규영 KAIST 의과학대학원 특훈교수 / 박진성 KA

암 혈관 일반 혈관처럼 정상화해 암 성장·이 제                   

TIE2 활성 항체 적용해 저산소증 감소… 항암제 효과·면역세포 활동 ↑

기초과학연구원(IBS) 혈관연구단 고규영 단장(KAIST 의과학대학원 특훈교수)과 박진성 연구원(KAIST 박사과정생)은 암 혈관을 일반 혈관처럼 정상화하면 암의 진행과 전이를 억제할 수 있다는 연구결과를 내놓았다.

연구진은 암 혈관 내피세포에 특이적으로 작용하는‘TIE2 활성 항체(ABTAA)’를 사용해 암 혈관의 구조적·기능적 이상을 안정적으로 바꾸면 암의 성장을 저해할 수 있음을 실험으로 증명했다. 연구팀은 항체와 항암제를 함께 투여하면, 항암제만 사용할 때와 비교해 실험동물(생쥐)의 종양 크기가 40% 감소하고, 평균 생존기간은 42% 이상 늘어남을 확인했다. 암 세포 자체를 공격하는 대신 암의 미세환경을 변화시킨다는 새로운 접근법은 암 치료제 개발의 발상을 바꿀 것으로 전망된다.

연구결과는 암 연구 분야 최고 학술지 캔서 셀(Cancer Cell, If 23.214)誌에 13일 새벽 2시(한국시간, 온라인) 게재됐다.

암은 성장과 전이를 위해 스스로 혈관을 만든다. 그러나 암 혈관은 정상 혈관과 달리 구조와 기능이 매우 불안정하다. 혈관 주위를 감싸는 주변지지세포가 없고, 혈관내피세포 사이 틈이 벌어져 있다. 혈액이 원활하게 흐르지 못하며 종양 주위 조직으로 새어 나온다.

이러한 비정상적인 암 혈관의 특징은 종양 내 저산소증(Hypoxia)을 크게 유발하며 항암제 전달도 어렵게 한다. 저산소증은 특히 암의 유전적 변이와 암혈관신생(Tumor angiogenesis)을 촉진하는 원인이다. 저산소증은 암 혈관을 자라게 하고, 암 혈관은 저산소증을 악화하는 악순환의 고리를 물게 된다. 저산소증은 암이 성장하는 강력한 동력인 셈이다.

암혈관신생을 억제해 암을 치료하려는 연구는 지난 20년간 꾸준히 이뤄져왔다. 최근 환자 대상의 치료제도 개발됐다. 하지만 혈관신생 억제제는 한정된 종류의 고형암에 치료 효과를 보일 뿐 암 억제 효과가 미미해, 연구자들은 여러 가지 원인을 분석하고 있다.

연구진은 기존 혈관신생 억제제를 사용하면 종양 내부의 저산소증이 증가한다는 사실에 착안했다. 저산소증은 암의 약물저항을 유발할 뿐 아니라 암 진행과 전이의 주원인이므로, 이를 개선하는 방법을 찾는 데 집중했다. 먼저 암혈관신생 과정을 규명하고, 항체를 통해 암 혈관 정상화 방안을 모색했다. 불규칙하고 조절 불가능한 상태로 진행되는 암혈관신생 과정은 구조적·기능적으로 불안정한 신생혈관을 만들어낸다. 불안정한 암 혈관은 투여한 항암제를 종양 내부로 제대로 전달하지 못해 항암치료의 장벽이 된다. 연구진은 암 혈관이 정상화되면 암세포로 충분한 산소를 공급해 저산소증에 의한 암 진행과 약물저항성이 줄어들 것으로 예상했다. 또 정상화된 혈관으로 항암제와 면역세포의 침투도 원활해질 것으로 내다봤다.

혈관의 분화와 안정을 촉진하는 수용체 단백질 TIE2는 암 혈관에 발현이 높다. 연구진은 암혈관의 TIE2 수용체를 활성화하면 암 혈관을 안정화하면서 주변지지세포들을 결집할 수 있을 것이라 예측했다. 연구진은 기존에 제작한 TIE2 활성 항체를 3종류의 종양(뇌종양·유방암·폐암) 실험동물에 투여, 암 혈관의 TIE2를 활성화하는 실험을 진행했다.

실험 결과, TIE2 활성 항체는 불안정한 암 혈관을 정상 혈관으로 만들어갔다. 종양 내부로 혈류가 증가해 충분한 산소 공급이 이뤄지며 약물 전달량과 면역세포의 침투가 증가했다. 또 혈액 누출은 줄고 부종도 감소했다. 연구진은 항체와 항암제를 병용 투여하면 항암제만 투여했을 때보다 종양 크기가 40% 감소하고, 평균 생존기간도 42% 이상 증가함을 확인했다.

이번 연구는 암의 영양보급로 역할을 하는 혈관신생을 막아 암을 치료하는 혈관신생 억제 연구의 방향을 바꿀 것으로 예상된다. 기존 혈관신생 억제제가 저산소증을 일으켜 치료에 효과적이지 못하다는 점에 착안, 오히려 암 혈관을 정상화한다는 역발상으로 새로운 연구와 치료 방향을 제시한 것이다. 고규영 단장은 “암 미세환경을 총체적으로 변화시켜 치료에 용이한 환경을 만든다는 개념은 향후 치료제 개발에 중요한 토대가 될 것”이라고 말했다.

 

[붙임] 1. 연구결과개요 2. 연구이야기 3. 그림설명 4. 연구진 이력사항

 

▣연 구 결 과 개 요

 

Normalization of Tumor Vessels by Tie2 Activation

and Ang2 Inhibition Enhances Drug Delivery

and Produces a Favorable Tumor Microenvironment

 

Jin-Sung Park†, Il-Kug Kim†, Sangyeul Han†, Intae Park, Chan Kim, Jeomil Bae, Seung Ja Oh, Seungjoo Lee, Jeong Hoon Kim, Dong-Cheol Woo, Yulong He, Hellmut G. Augustin, Injune Kim, Doheon Lee*, Gou Young Koh*

(Cancer Cell, in press)

 

암이 성장, 전이하기 위해서는 새로운 혈관이 필요하다. 이를 위해 암 조직은 혈관신생을 유도하는 물질을 지속적으로 분비하여 암 혈관을 계속 만든다. 그러나 이렇게 생성된 암 혈관은 정상 혈관과는 다르다. 혈관 주위를 감싸주는 주변지지세포가 없고, 혈관내피세포 사이의 틈이 벌어져 있어 혈액이 원활하게 흐르지 못하고 종양 주위 조직으로 새어나온다. 이러한 비정상적 암 혈관의 특성은 암 미세환경의 저산소증을 강력하게 유발한다. 종양 내부로 항암제가 제대로 전달되지 못할뿐더러 타 장기로의 전이 통로가 되기도 한다. 즉, 비정상적 암 혈관의 특성이 암을 계속 진행시키고 전이를 촉진하며 항암제 투여를 통한 암 치료를 저해하는 핵심 요인이라 할 수 있다.

지난 20여 년간 암 혈관을 조절해 암의 성장을 억제하려는 연구가 진행되어 왔다. 많은 연구들이 암 혈관 자체를 파괴하거나 혈관신생을 억제하는 데 초점을 맞추었으며 최근 임상단계에서 사용된 혈관 신생 억제제들도 비슷한 방식으로 작용했다. 그러나 최근 10여 년간 임상시험 결과를 종합하면 종양의 성장 자체는 억제되어도 환자의 생존율 증가는 미미한 수준에 그치는 등, 혈관신생 억제 항암제는 기대만큼의 치료효과를 보이지 못하고 있다. 따라서 현재까지 개발된 혈관신생 억제의 한계를 극복할 새로운 작용방식의 혈관 특이적 치료제 개발이 절실히 요구되고 있다.

본 연구는 암 혈관의 비정상적 특성이 항암제 전달을 막아 치료를 저해하는 주된 원인이며, 이를 극복하기 위해 암 혈관을 정상화, 안정화한다면 병용치료의 효과가 극대화될 것이라는 가설에서 출발했다. 암 혈관 내피세포에 특이적으로 발현하는 단백질을 조사하던 중 TIE2 수용체 단백질 기능에 주목하게 되었다. TIE2 수용체가 활성화되면 혈관내피세포의 분화가 촉진된다. 혈관내피세포 사이의 결합이 단단해지면서 혈관이 안정된다. 특히 TIE2 수용체는 암 혈관에서 높게 발현하기 때문에 암 혈관의 TIE2 수용체를 선택적, 지속적으로 활성화할 수 있다면 암 혈관이 정상화되어 비정상적인 암 혈관이 정상혈관처럼 변할 수 있을 것이라고 가정했다.

3종류의 종양 실험동물 모델에 TIE2 활성 항체를 투여한 결과, 정상 혈관에는 부작용이 없었으며 암 혈관에만 구조적, 기능적 변화가 일어남을 확인했다. TIE2 활성 항체를 투여하면 암 혈관 내부로 흐르는 혈류가 증가해 종양 내 저산소증이 확연히 감소하며, 주변 조직으로 혈액의 누출이 크게 감소한다. 암을 공격하는 면역세포의 유입이 증가하고, 혈관신생을 촉진하는 대식세포가 감소하는 등 암 혈관뿐만 아니라 암 조직을 구성하는 다른 세포들과 암 전체의 미세환경이 크게 변화한다는 것을 확인하였다. 또한 항암제와 병용 투여할 경우, 종양 내로 항암제 전달이 증가해 각각의 약제를 단독 투여했을 때 보다 종양 억제효과가 늘어남을 알 수 있었다.

본 연구는 기존에 널리 사용되던 혈관신생 억제 항암제의 단점인 종양 내 저산소증을 해소할 수 있는 방안을 제시하였다는 데 의의가 있다. 암 혈관 정상화로 종양 내부로의 혈류가 증가하면 종양의 성장 및 전이를 억제할 뿐만 아니라, 종양 내부로의 면역세포 유입 및 암 조직의 유전자 발현패턴 등이 모두 변해 암 미세 환경을 총체적으로 변화시킬 수 있다는 개념의 큰 진전을 이루었다. 암 세포 자체를 공격하는 것이 아니라 암 혈관을 조절해 암을 둘러싼 미세환경 전체를 치료에 용이한 환경으로 변화시키는 암 혈관 정상화라는 새로운 개념은 앞으로 치료제 개발을 위한 중요한 토대가 될 것으로 기대된다.

 

▣ 연 구 이 야 기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

이번 연구는 최근 암 혈관의 독특한 특성에 대한 이해와 혈관신생 억제 항암제의 불완전함이 대두되면서 시작되었다. 암 혈관을 표적으로 한 많은 약물이 개발되었지만 공통적으로 종양 내부의 저산소증을 증가시켰다. 이런 특성이 항암치료의 효과를 반감시킨다는 최신 연구들을 토대로 새로운 물질을 구상했다. 암 혈관에서 특이적으로 TIE2 수용체의 발현이 높다는 사실을 확인한 후, TIE2 활성항체를 종양동물 모델에 투여하면 암 혈관이 정상화 될 수 있을 것이라는 가설을 가지고 연구를 시작하였다.

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

이 연구는 여러 종류의 종양 동물모델을 대상으로 삼았으며 암 혈관뿐만 아니라 혈관 변화로 야기되는 종양 내 미세환경의 변화를 면밀하게 관찰해야 했기에 연구에 소요되는 시간과 노력이 방대할 것으로 예상했다. 따라서 실험용 항체를 생산하는 팀, 종양 실험을 진행하는 팀, 혈관 외 미세환경 변화를 관찰하는 팀 등 연구 인력을 전략적으로 나누고 동시에 실험을 진행하였다. 다수의 연구자들 간에 의사소통과 긴밀한 협조가 매우 원활하게 이루어졌던 것이 좋은 논문으로 결실을 맺게 되어 기쁘다.

특히 살아있는 실험동물의 종양 내 저산소증을 확인하려면 연구단이 보유하지 않은 장비가 필요했다. 타 연구기관의 적극적인 협조로 최첨단 자기공명영상장치(Magnetic Resonance Spectroscopy, MRS)를 이용할 수 있었다. 도움을 준 모든 연구자들에게 고마움을 표한다.

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면? 어떻게 극복(해결)하였는지?

종양 동물모델을 이용한 실험은 한 번 실험을 수행하고 결과를 얻기까지 1~2달의 시간이 소요되기 때문에, 결과가 잘 나오지 않을 경우 반복실험을 하는 데 시간의 제약이 컸다. 연구 초기, 한 명의 연구자가 많은 실험을 도맡다 보니 실수도 잦고 문제 해결에 시간도 많이 걸렸다. 동료 연구자들이 합류해 다양한 종양 동물모델을 동시에 실험할 수 있게 되면서 연구 진행에 속도가 붙었고, 문제점을 해결하는 데도 동료 연구자들과의 토론이 큰 도움이 되었다. 이번 연구를 통해 우리 연구진은 동료 연구자들과의 협력과 토론이 어려운 문제를 손쉽고 빠르게 해결하는 지름길이라는 것을 다시금 깨닫게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가

이 연구는 암 혈관을 없애는 기존의 접근방법을 버리고, 오히려 암 혈관의 구조와 기능을 정상화시키는 것이 종양을 조절하는데 더 유리할 수 있다는 가능성을 제시하였다. 그 과정에서 TIE2 수용체의 활성화가 암 혈관 정상화의 핵심 요인임을 밝혔고, 암 혈관 자체의 변화뿐만 아니라 종양 내부의 종합적인 미세 환경 변화를 면밀하게 측정하였다.

 

□ 향후 연구계획은

암 뿐만 아니라 당뇨망막병증, 노인성 황반변성, 녹내장 등 다양한 혈관관련 질환들에서도 정상 혈관과는 다른 다양한 특성들이 관찰된다. 이러한 질병에서도 TIE2 활성 항체가 혈관 정상화 기능을 수행하는지 알아보고자 한다.

 

그 림 설 명

암 혈관은 정상 혈관과 달리 내피세포를 감싸주는 주변지지세포가 없고 내피세포 사이에 틈이 벌어져 있어, 결과적으로 혈액성분이 주변으로 누출되고 암 세포가 혈관 내부로 침입하여 다른 장기로의 암 전이 통로로 작용한다. 연구진이 제작한 TIE2 활성 항체를 투여할 경우 주변지지세포 및 내피세포의 결합이 강화되어 암 혈관의 구조적, 기능적 이상이 정상 혈관과 비슷하게 변화하는 ‘암 혈관 정상화’ 가 일어나게 된다.

	[그림 2] TIE2 활성 항체 투여 후 암 혈관의 혈류가 증가함 TIE2 활성 항체를 투여하면 암 혈관의 구조가 대조군에 비해 크게 변하는 것을 확인할 수 있다(CD31: 혈관 특이적인 표지자). 암 혈관의 구조가 변하는 것뿐만 아니라 혈관 내부로 혈액의 흐름이 원활해지는 기능적인 개선도 확인할 수 있다(혈관 내부의 Lectin 으로 확인. 그림에서 녹색).
	[그림 3] TIE2 활성 항체 투여 후 암 혈관으로부터의 혈액성분 누출 감소 TIE2 활성 항체를 투여하면 대조군에 비해 종양 내부의 출혈이 크게 감소함을 알 수 있다. 면역형광 염색으로 확대하여 확인해 보면 TIE2 활성화 항체 투여 후 암 혈관 주변으로 적혈구의 누출양이 크게 감소함을 확인할 수 있다(Ter119: 적혈구 표지자).

	[그림 4] TIE2 활성 항체 투여 후 종양 내 저산소증이 개선됨 암 혈관은 혈액의 흐름이 원활하지 못해 종양 중심부에 심한 저산소증을 유발 한다(Hypoxyprobe 로 확인. 위 그림에서 녹색). TIE2 활성항체를 투여하면 종양 내부로의 혈류가 개선되어 종양 내부의 저산소증이 크게 개선되는 것을 확인할 수 있다. 또 다른 저산소증의 표지자인 GLUT1 염색으로도 저산소증의 개선을 확인하였다(아래 그림에서 녹색).
	[그림 5] TIE2 활성 항체 투여 후 암의 전이가 감소함 종양 모델생쥐의 림프절(Lymph node)과 폐를 관찰하여 암의 전이 여부를 확인하였다. TIE2 활성항체를 투여한 동물에서 림프절 전이 및 폐전이가 감소함을 확인할 수 있다. 림프절 전이는 녹색 형광을 띈 암세포를 이용하여 확인하였다(그림 위 패널, 녹색부분이 전이된 암세포).
	[그림 6] TIE2 활성 항체 투여 후 면역세포 유입이 변함 TIE2 활성항체 투여 후 종양 내부로 유입되는 면역세포에도 변화가 있는 것을 알 수 있다. 그림에서 노란색으로 표시된 CD206+ F4/80+ 대식세포는 암 혈관의 생성을 촉진하여 암 성장에 도움을 주는 면역세포다. TIE2 활성항체를 투여하면 혈관신생 촉진 대식세포의 수가 크게 감소함을 알 수 있다.

 

▣연구진 이력사항

 

▢고규영 혈관연구단 단장, 교신저자

1. 인적사항

○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 혈관연구단

카이스트(KAIST) 의과학대학원

○ 전 화 : 042-350-5638

○ E-mail : gykoh@kaist.ac.kr

 

2. 학력

1983 전북대학교 의과대학, M.D.

1991 전북대학교 의과대학, Ph.D.

 

3. 경력사항

1990 - 1991 미국 코넬의대, Research Fellow

1992 - 1994 미국 인디아나대학교 의대, Research Fellow

1995 - 2001 전북대학교 의과대학교, 생리학과, 조교수

1997 - 2003 창의연구단, 단장

2001 - 2003 POSTECH, 생명과학과, 부교수

2003 - 2010 카이스트, 생명과학과, 교수

2011 - 현재 카이스트, 의과학대학원, 특훈교수

2015 - 현재 IBS 혈관연구단, 단장

 

4. 전문 분야 정보

2007 제 17회 분쉬의학상(한국의학회, 한국베링거인겔하임)

2010 올해의 카이스트인(카이스트)

2011 이달의 과학자상(교육과학기술부, 한국연구재단)

2011 경암상(경암교육문화재단)

2012 아산의학상(아산재단)

▢박진성 혈관연구단 연구원, 제 1저자

1. 인적사항

○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 혈관연구단 연구원 카이스트(KAIST) 의과학대학원 박사과정

○ 전 화 : 042-350-5638

○ E-mail : neojinsungp@kaist.ac.kr

 

2. 학력

2010　 인하대학교 의과대학 학사

 

3. 경력사항

2010 - 2011 카톨릭중앙의료원 인턴

2011 - 현재 한국과학기술원 의과학대학원 박사과정

2015 - 현재 IBS 혈관연구단 연구원