• 난치성 종양, 두경부암의 치료 가능성 열려
• 플라즈마가 두경부 암세포의 라이소좀 활성 억제 
• 종양치료의 효능이 뛰어남 

얼굴과 목 부위에 발생하는 대표적 난치성 종양, 두경부암의 치료 가능성이 열렸다. 한국연구재단은 김철호 교수․김선용 교수(아주대학교의료원) 연구팀이 플라즈마가 두경부 암세포의 라이소좀* 활성을 억제하여 종양치료의 효능이 뛰어남을 보고했다고 밝혔다.
    * 라이소좀 : 가수분해 효소를 많이 지니고 있어 세포의 불필요한 물질들을 분해하는 세포내 소기관

두경부암이 발생하는 부위는 음식을 삼키고, 호흡하고, 목소리를 내는 기관이기 때문에 수술이 어렵고, 치료 후 여러 가지 해부학적, 기능적 장애가 남는 경우가 많다. 따라서 새로운 치료기술과 기기의 개발이 중요하다.

플라즈마는 전자와 이온이 분리되어 균일하게 존재하는 상태로서, 흔히 고체, 액체, 기체 이외의 제4의 물질상태라고 일컫는다. 이들은 암조직에만 특이적으로 작용하고 부작용이 거의 없어 안전하다는 점이 두드러진다. 그러나 플라즈마의 작용기전에 대한 연구 근거가 부족하여 의료기기 개발로 연계되기에는 제한이 있었다.

 이 연구에서는 플라즈마가 두경부 암세포의 세포소기관, 라이소좀*의 활성을 저해하여 세포사멸을 유도하는 세부 과정을 밝혀냈다. 플라즈마 상태의 처리수를 두경부 암세포에 처치하면 암 성장 및 촉진에 중요한 역할을 한다고 알려진 HSPA5 단백질이 감소된다. 이는 HSPA5가 유비퀴틴화*된 후 분해된 것이다. HSPA5가 감소하면 라이소좀의 활성이 억제되고, 결국 암세포 사멸에 이른다.
    * 유비퀴틴화(ubiquitination) : 유비퀴틴이라는 작은 단백질이 특정 단백질에 결합하여 표시되는 과정을 일컬음. 유비퀴틴화된 단백질은 분해되거나 활성이 변화됨.

연구팀은 기존에 MUL1 단백질이 두경부 암세포에서 특이적으로 발현이 억제되어 있지만 플라즈마에 의해 발현이 촉진됨을 보고했다. 이번에는 플라즈마 처리수가 MUL1의 발현을 유도함과 동시에 HSPA5의 유비퀴틴화를 촉진시켜 분해를 유발시킴을 확인하였다.  플라즈마는 정상조직에는 영향이 없고 암세포 특이적으로 작용하여 플라즈마를 이용한 암치료법 개발 임상연구 활성화에 기여할 것으로 보인다.

김철호 교수는 “이 연구를 통해 플라즈마를 활용한 ‘플라즈마 의학’ 연구가 활성화 될 것”이라며 “향후 플라즈마 기반 의료기기가 미래의 의료기기 시장에 중요한 위치를 차지할 것”이라고 설명했다.

이 연구는 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구) 지원으로 수행됐으며, 생물학 분야 국제학술지 오토파지(Autophagy) 12월 20일자 게재되었다.

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

  - 논문명 : HSPA5 negatively regulates lysosomal activity through ubiquitination of MUL1 in head and neck cancer
  - 저  자 : 김철호 교수 (교신저자, 아주대학교 의과대학 이비인후과)김선용 교수 (공동 제1저자, 아주대학교 의과대학 이비인후과)김효정 박사과정생 (공동제1저자, 아주대학교 의과대학 이비인후과)김행준 박사과정생 (공동연구원, 아주대학교 의과대학 이비인후과) 김대호 박사과정생 (공동연구원, 아주대학교 의과대학 이비인후과)한재호 교수 (공동연구원, 아주대학교 의과대학 병리과)변형권 교수 (공동연구원, 연세대학교 의과대학 이비인후과)이근호 박사 (공동연구자, PSM Inc.)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
   ○ 플라즈마를 이용한 질환치료의 가능성 연구는 전 세계적으로 아직 미완의 단계이다. 그러나 플라즈마는 질환 특이적으로 작용하고 부작용이 거의 없다는 연구결과들이 보고되고 있다. 이러한 이유들로 근래에는 암, 난치성 질환 뿐만 아니라 면역성 질환 및 조직재생 치료를 하기 위한 대안으로서 활발하게 연구되고 있다. 그러나 플라즈마의 질환치료에 있어서 작용기전의 근거가 부족하여 질환치료를 위한 의료기기 개발로의 제한적 한계가 있었다.

 2. 연구내용
   ○ 이번 연구에서는 플라즈마가 두경부 암세포의 세포사멸을 유도하는 과정에서 라이소좀의 활성이 특이적으로 저해시킨다는 것을 밝혀냈다.
   ○ 연구팀은 플라즈마를 처리한 처리수를 두경부 암세포에 처치하게 되면 특이적으로 HSPA5라는 단백질이 감소되는 것을 확인하였다. 이 과정에서 플라즈마 처리수는 두경부 암세포의 HSPA5 단백질을 유비퀴틴화*에 의한 단백감소가 유발시킴됨을 연구하였다.
   ○ 연구팀은 기존에 MUL1이라는 단백질이 두경부 암세포에서 특이적으로 발현이 억제되어 있지만 플라즈마에 의해 그 발현이 촉진되어 두경부 암세포의 세포사멸을 유발함을 보고하였었다. 이번 연구에서는 플라즈마 처리수가 MUL1 단백질의 발현을 유도함과 동시에 HSPA5 단백질의 유비퀴틴화를 촉진시켜 분해를 유발시킴을 확인하였다.
   ○ MUL1 단백질은 두경부암 환자조직에서 발현이 억제되어 있는 반면, HSPA5 단백질은 높아져 있음을 확인하였고, 이러한 이유로 MUL1 유전자가 제거된 두경부 암세포에서는 플라즈마에 의한 항암효능이 현저하게 떨어짐을 연구하였다. 플라즈마는 정상조직에는 영향이 없고 암세포 특이적으로 작용하여 플라즈마를 이용한 암치료법 개발 임상연구 활성화에 기여할 것으로 보인다.

 3. 연구 성과
   ○ 이번 연구는 플라즈마가 두경부 암세포의 라이소좀 활성에 관여하여 항암효능을 보인다는 세계최초의 연구결과이다.
   ○ MUL1-HSPA5 단백질의 신호체계가 두경부암 치료에 있어 새로운 표적치료 타겟이 될 수 있다.
   ○ 뛰어난 항암효능이 있음에도 불구하고 플라즈마의 작용기전에 대한 과학적 근거가 부족한 시점에서 본 연구를 바탕으로 향후 플라즈마를 기반으로 다양한 질환치료를 위한 신의료기기 개발이 촉진될 것으로 기대한다.

□연 구 결 과 

 1. 연구배경
  ○ 우리나라의 사망원인 1위인 암 (1983년 이후 26년간)으로 인한 사회경제적 손실은 매년 14조원에 달하고 있으며, 국내 암환자가 암치료를 위해 쓰는 직접의료비용만도 연간 2조 3천억이며, 암환자 1인당 경제손실도 평균 6천만원 수준으로, 암발생과 사망으로 인한 삶의 질의 저하, 개인과 가족간의 문제, 사회적인 갈등 및 사회경제적 비용이 천문학적으로 증가하고 있음.
  ○ 구강, 구인두, 하인두 및 후두를 포함하는 두경부암은 기관별 암발생 6번째이고, 미국에서만 매년 35,000 명의 새로운 암환자가 발생할 만큼 흔한 암이며 선진국의 경우 타암종에 비해 그 비율이 상대적으로 높은 것으로 알려져 있음.
  ○ 최근 수십년간 진단과 치료기술의 발달로 두경부 암치료에 대해 제한적으로나마 치료율의 향상과 기능적 보존이라는 긍정적인 결과를 얻기도 했지만 많은 진행성 두경부 암에 있어서 5년 생존율은 5 - 50%를 맴돌고 있으며 생존율이 크게 향상되지 못하는 이유로는 암의 공격적인 침습, 림프절전이, 원격전이와 이차암 등을 들 수 있는데 이로 인해 다양한 연구와 치료에도 불구하고 지난 20년간 생존율이 크게 변하지 못한 상태임.
  ○ 두경부암 치료의 어려운 점은 암의 발생이 소위 호흡, 발성 및 연하 기관에 발생하거나 근접하여 치료 후 여려가지 해부학적, 기능적 장애가 남게 되며, 두경부라는 위치적 특성상 미용적인 장애가 많이 발생하게 되어 이로 인한 치료의 거부와 치료 후 심각한 정신적 사회적 고통을 갖게 되는 것이 현실이고, 중요장기와 근접하여 충분한 절제연의 확보가 어려워 수술 후 혹은 수술 전에 항암/방사선 단독 혹은 항암방사선 병합치료를 시행하는 경우가 흔함.
 ○ 플라즈마는 고체, 액체, 기체 다음의 제4의 물질로써 다양한 활성 분자 (active species; oxygen/hydroxyl radicals, nitirc oxide etc)에 의해 나타남. 최근에 플라즈마의 임상적용으로 가장 주목을 받는 영역은 암치료 부분임. 플라즈마는 암조직 특이적으로 작용하는 선택성이 있어 정상조직에는 영향이 없기에 치료적 선택성 및 안정성이 있다는 큰 장점과 저비용성으로 치료비의 부담이 없다. 그러나 플라즈마의 항암효능에 대한 보다 과학적 근거가 부족하다는 평가가 있다.

 2. 연구내용
  ○ 연구팀은 두경부 암세포를 플라즈마를 처리한 배양액에서 배양하였다. 두경부 암세포는 24시간 이전에 세포사멸이 유발됨을 확인하였다.  
  ○ 이 과정에서 암 성장 및 촉진에 있어서 중요한 역할을 한다고 보고된 HSPA5 단백질이 감소됨을 확인하였다. HSPA5 단백질의 감소는 세포내 라이소좀 활성의 억제를 유발시켜 세포사멸을 촉진하는 것으로 연구되었다.
  ○ 플라즈마에 의한 HSPA5 단백질 감소는 유비퀴틴화에 의한 세포내 작용기전을 바탕으로 유발됨을 확인하였다.
  ○ 본 연구팀은 기존에 유비퀴틴화에 관여하는 MUL1 단백질이 두경부 암세포에서 발현이 특이적으로 억제되어 있었으나 플라즈마에 의해 발현이 촉진되어 두경부 암세포 사멸에 관여함을 사전에 연구하여 보고하였다.
  ○ 이번 연구에서도 플라즈마에 의한 HSPA5 단백질 유비퀴틴화는 MUL1 단백질에 의해서 특이적으로 유발됨을 확인하였고, 이러한 이유들로 두경부암 환자 조직에서 MUL1의 발현이 억제되어 있는 반면, HSPA5 단백질은 발현이 촉진되어 있었다.
  ○ MUL1의 유전자를 CRISPR* 기법으로 제거한 두경부 암세포는 플라즈마에 의한 세포사멸이 억제되었을 뿐 만 아니라 종양동물모델에서도 플라즈마 치료가 효능을 보이지 않았다.
     * 크리스퍼 (CRISPR) : 유전자를 자르는 유전자 가위.

 3. 연구 성과/기대효과
  ○ 이번 연구는 플라즈마가 두경부 암세포의 라이소좀 활성에 관여하여 항암효능을 보인다는 세계최초의 연구결과이다.
  ○ MUL1-HSPA5 단백질의 신호체계가 두경부암 치료에 있어 새로운 표적치료 타겟이 될 수 있다.
  ○ 뛰어난 항암효능이 있음에도 불구하고 플라즈마의 작용기전에 대한 과학적 근거가 부족한 시점에서 본 연구를 바탕으로 향후 플라즈마를 기반으로 다양한 질환치료를 위한 신의료기기 개발이 촉진될 것으로 기대한다.

□연구 이야기 

- 연구를 시작한 계기나 배경은

김철호 교수는 국내에서 선도적으로 플라즈마 메디신을 연구하였음. 10년전 미국 연수 때 처음 접하였고 항암효능에 대한 연구가 있음을 확인한 후 국내 귀국 후 난치성 종양인 두경부암 치료를 위한 연구를 시작하였음. 현재 암을 비롯해서 다양한 질환에서 플라즈마의 임상적용 연구를 진행하고 있음.

- 연구 전개 과정에 대한 소개

본 연구는 2년 이상 소요된 연구결과임. 처음 연구결과를 같은 저널에 투고하였고 리비전까지 수행하였으나 최종적으로 게재되지 못하였음. 하지만 연구의 내용을 첨가하여 다시 투고한 후에 게재승인 되었음. 세포실험이 우선적으로 실시되었고 세포실험에서 확인한 플라즈마의 항암효능을 종양동물모델에서 검증하였음.

-  연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지.

플라즈마라는 인식이 생물학 분야에서는 외면받기 쉬운 물질임. 현재의 과학적 기법이나 기기 등을 기반으로는 플라즈마의 정확한 성분을 분석하기 불가능함. 이는 우주나 태양의 물질이 무엇인가 하는 질문과 동일함. 이러한 상황에서 생물학 관련 저널에서는 플라즈마의 성분이 무엇이기에 항암효능이 나타나는지 의문을 가짐. 이 부분은 본 연구팀도 해결 할 수 없었음. 하지만, 현존하는 분석가능한 방법들을 모두 동원하고 현 상황을 성심성의껏 호소한 결과 좋은 결과를 얻을 수 있었다고 생각함.

-  이번 성과, 무엇이 다른가.

플라즈마가 두경부 암세포의 세포사멸 유도시 라이소좀의 활성을 관여한다는 것임. 라이소좀은 세포 소기관들 중 연구가 가장 미비한 것이지만 암치료에 있어서 라이소좀을 타겟하는 방법들이 효과가 있음이 최근에 들어 보고되고 있음. 이러한 시점에서 플라즈마가 암세포의 라이소좀 활성을 특이적으로 조절할 수 있다는 연구결과는 세계최초임. 또한, 플라즈마가 암치료에 대한 가능성 연구들은 있으나 현실에서는 외면 받는 이유가 작용기전에 대한 보다 과학적 근거제시가 부족해서이나 본 연구결과를 토대로 플라즈마가 임상에서도 질환치료에 대한 가능성 뿐 만 아니라 확신을 줄 수 있는 계기가 되었다고 생각함.

- 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

본 연구팀은 궁극적으로 플라즈마 기반 질환치료를 위한 새로운 의료기기를 개발하는 것이 목표임. 현재 암 치료용 뿐 만 아니라 피부질환, 재생의학 관련 플라즈마 의료기기 개발을 위한 다양한 연구를 수행 중임. 플라즈마 기반 의료기기 개발은 세계적으로도 블루오션임. 이러한 시점에서 국가적으로 다양한 연구적 지원이 가능하게 된다면 의료기기 분야에서 적어도 플라즈마 기반 의료기기 기업은 국내가 주도할 수도 있다고 생각함.

- 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

플라즈마 기반 신의료기기가 본 연구팀에 의해서 개발되고 제품화 되길 바라며, 다양한 플라즈마의 기전연구와 실용화를 위해 플라즈마 관련기업, 국가핵융합연구소와 공동연구를 추진 중에 있음.

□용 어 설 명

1. 플라즈마
  ○ 흔히 이야기하는 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태 다음으로 제 4의 물질상태를 플라즈마라고 이야기함. 물리학에서는 전자와 이온이 분리된 상태로 균일하게 존재하는 물질을 지칭함.

2. 라이소좀
  ○ 가수 분해 효소를 많이 지니고 있어 세균 및 세포의 불필요한 물질들을 분해하는 세포내 소기관.

3. 유비퀴틴화 (ubiquitination)
  ○ 단백질의 활성을 조절하는 세포내 신호전달체계 중에 하나로써 특정 단백질에 유비퀴틴이라는 작은 단백질이 결합하여 표시하는 과정임. 유비퀴틴화 된 단백질은 분해되거나 활성이 변화됨.

4. 크리스퍼 (CRISPR)
  ○ 유전자를 자르는 유전자 가위.

□그림설명

(그림1) 종양동물모델에서 플라즈마 처리수의 항암효능 검증
MUL1 유전자가 있는 야생형 두경부 암세포 (WT)와 제거된 암세포 (KO)를 각각 누드마우스에 이식한 후 플라즈마 처리수를 매일 처치하여 항암효능을 검증하였음. 플라즈마 처리수는 MUL1 유전자가 제거된 종양에서는 효능이 반감되었음.

(그림2) 두경부 암세포에서 플라즈마의 항암효능 모식도
플라즈마에 의해서 발생되는 활성인자 (ROS, RNS)등이 두경부 암세포의 MUL1 발현을 촉진시켜 HSPA5 단백질의 유비퀴틴화를 유발하고 그에 따라 라이소좀의 활성이 억제되어 최종적으로 암세포 사멸에 이른다는 모식도.

김철호 교수[교신저자] 이력사항

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 아주대학교의료원
 ○ 전 화 : 031-219-5269
 ○ e-mail : ostium@ajou.ac.kr

2. 학력
 ○ 2001 ~ 2004 연세대학교 박사 (의학/두경부학)
 ○ 1998 ~ 2000 인하대학교 석사 (의학)
 ○ 1987 ~ 1993 인하대학교 의과대학 (의학)

3. 경력사항
 ○ 2002 ~ 현재 : 아주대학교 이비인후과 조교수, 부교수, 교수
 ○ 2015 ~ 현재 : 아주대학교 이비인후과 주임교수
 ○ 2017 ~ 현재 : 아주대학교의료원 첨단의학연구원 부원장
 ○ 2013 ~ 2017 : 대한이비인후과학회 교육연구이사
 ○ 2016 ~ 현재 : 대한두경부종양학회 학술이사
 ○ 2013 ~ 현재 : 소아이비인후과학회 학술이사
 ○ 2012 ~ 현재 : Tissue Engineering regenerative medicine – Vice Editor

4. 전문분야 정보
 ○ 두경부 종양 수술 (로봇 및 내시경수술)
 ○ 두경부 종양 분자생물학적 기전연구
 ○ 플라즈마 메디신

5. 연구지원 정보 
 ○ 2015 ~ 2018 : 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구지원사업(중견연구자)

김선용 교수[제1저자] 이력사항

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 아주대학교의료원
 ○ 전 화 : 031-219-4889
 ○ e-mail : ystme@ajou.ac.kr

2. 학력
 ○ 2006 ~ 2011 건국대학교 박사 (생물공학)
 ○ 2003 ~ 2005 가톨릭의과대학 석사 (의생물학)
 ○ 1995 ~ 2003 건국대학교 학사 (생물학)

3. 경력사항
 ○ 2014 ~ 현재 : 아주대학교의료원 이비인후과 연구조교수
 ○ 2013 ~ 2014 : ㈜메타바이오메드 차장 (팀장)
 ○ 2009 ~ 2013 : 삼성생명과학연구소 박사후연구원

4. 전문분야 정보
 ○ 분자세포생물학 (유비퀴틴화, E3 결합효소 연구)

5. 연구지원 정보 
 ○ 2017 ~ 2020 : 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구지원사업(신진연구자)

한국연구재단 홍보실 제공