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아주대병원 연구팀, 플라즈마를 활용한 종양치료 기술 개발

얼굴과 목 부위에 발생하는 대표적 난치성 종양, 두경부암의 치료 가능성이 열렸다. 한국연구재단(이사장 조무제)은 “김철호 교수․김선용 교수(아주대학교의료원) 연구팀이 플라즈마가 두경부 암세포의 라이소좀 활성을 억제하여 종양치료의 효능이 뛰어남을 보고했다”고 24일 밝혔다.

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.

(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.

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 유비퀴틴화된 후 분해된 것이다. HSPA5가 감소하면 라이소좀의 활성이 억제되고, 결국 암세포 사멸에 이른다.
  
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.

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

(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.

※ 참고 자료

▲ 연구의 배경
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.

※ 용어 설명
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.

신영인 기자  emd@mdjournal.net

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