[논문]유전자 치료에서 PET의 역할

이경한

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In addition to the well-established use of positron emission tomography (PET) in clinical oncology, novel roles for PET are rapidly emerging in the field of gene therapy. Methods for controlled gene delivery to living bodies, made available through advances in molecular biology, are currently being ...

In addition to the well-established use of positron emission tomography (PET) in clinical oncology, novel roles for PET are rapidly emerging in the field of gene therapy. Methods for controlled gene delivery to living bodies, made available through advances in molecular biology, are currently being employed in animals for research purposes and in humans to treat diseases such as cancer. Although gene therapy is still in its early developmental stage, it is perceived that many serious illnesses could be treated successfully by the use of therapeutic gene delivery. A major challenge for the widespread use of human gene therapy is to achieve a controlled and effective delivery of foreign genes to target cells and subsequently, adequate levels of expression. As such, the availability of noninvasive imaging methods to accurately assess the location, duration, and level of transgene expression is critical for optimizing gene therapy strategies. Current endeavors to achieve this goal include methods that utilize magnetic resonance imaging, optical imaging, and nuclear imaging techniques. As for PET, reporter systems that utilize genes encoding enzymes that accumulate positron labeled substrates and those transcribing surface receptors that bind specific positron labeled ligands have been successfully developed. More recent advances in this area include improved reporter gene constructs and radiotracers, introduction of potential strategies to monitor endogenous gene expression, and human pilot studies evaluating the distribution and safety of reporter PET tracers. The remarkably rapid progress occurring in gene imaging technology indicates its importance and wide range of application. As such, gene imaging is likely to become a major and exciting new area for future application of PET technology.

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문제 정의

앞으로 유전자 요법이 계속 발전하기 위해서는 유전자의 전달과 발현을 공간적으로 그리고 시간적으로 평가할 수 있는 비침습적인 검사기술이 절실히 요구되고 있다. 본 종설에서는 개발되고 있는 여러 종류의 평가 방법 중에서 PET를 이용한 기법을 중심으로 최근의 연구 현황을 기술하고자 한다.

제안 방법

포함된다. 추적자 면에서는 D2 수용체 시스템에 [¹¹C]raclopride 를 적용한 연구가 있어, D2 수용체 유전자를 전달한 래트 선조의 PET 영상 결과 자가방사기록과 잘 부합되는 섭취 변화를 관찰하였다.⁵⁾ 영상용 유전자를개선한 연구로는 thymidine 보다 ganciclovir 나 penciclovir에 작용하는 변형 HSVl-sr39TK 효소 유전자를 이용함으로써 정상 HSVl-tk에서 보다 높은 [¹⁸F]-GCV와 [¹⁸F]-PCV 섭취를 관찰한 보고가 있다.
최근 Memorial Sloan-Kettering 암 센터의 연구팀에서는 reporter gene의 유전자 전달을 이용하여 관심 endogenous gene의 발현을 간접적으로 영상화 할 수 있는 한가지 전략을 제시하였다. 이 팀에서는HSVl-tk와 GFP 유전자가 연결된 reporter gene을 p53-specific response element에 의해 조절 받도록클로닝하고 이를 레트로바이러스 벡터에 삽입하였다. 이어서 암세포에 이 벡터를 주입시킨 뒤 동물에 종양을 이식하였다.
⁸⁾ 이 연구팀에서는 또한 동일한 전략으로 T 임파구의 활성화도 영상화할 수 있음을 보여 주었다. HSVl-tk 와 GFP 유전자가 연결된 reporter gene을 이번에는 nuclear factor activated lymphocyte (NFAT)response olemem 에 의해 조절 받도록 클로닝하고 이를 삽입한 레트로바이러스 벡터를 제작하여 T 임파구 백혈병 세포를 감염시켰다. 이어서 이 세포를 동물에 주입하고 항-CD3 혹은 항-CD28 항체로 임파구를 활성화시킨 후 24)-FIAU를 투여한 결과 활성화된 임파구에 섭취가 증가함을 확인하였다9) Endogenous gene 의 발현 영상기술은 아직 초기 개발 단계에 머무르고 있으나 이와 같은 기술은 암의병태생리를 이해하기 위한 매우 강력한 연구도 구가될 것으로 생각된다.
사람에서 [¹⁸F]FHBG의 안전성과 체내동태를 조사한 임상 1기 연구가 Yaghoubi 등에 의해 처음 시행되어, 10명의 정상 자원자에게 [¹⁸F]FHBG를 70-230 MBq 정맥주사한 후 반복 PET 영상을 얻고 정맥을 분석하였다. 혈중 [¹⁸F]FHBG는 신속히 제거되어 30분만에 8% 만남아 있었다.

성능/효과

Uracil 계 추적자에는 5-[¹²⁴I]-iodo-2' -fluoro-2' - deoxy-l-β-D-arabino-5-iodouracil([¹²⁴] IJ-FIAU) 이 있으며, guanosine 계 화합물에는 8-[¹⁸F]flouro-9-[2- hydroxy-l-(hydroxymethyl)ethoxymethyl]guanine([¹⁸F ]-GCV), 8-[¹⁸F]fluoro-9-[4-hydroxy-3-(hydroxymethyl)- 1 -butyl]guanine([¹⁸F]PCV), 그리고 9-[4-[¹⁸F]fluoro-3- (hydroxymethyl)butyl]guanine([¹⁸F]FHBG)이 있다.³⁾ 이 중 ["FJFHBG가 체외에서 다른 추적자 보다 우수한 특성을 보이고 동물실험에서 영상의 대조 도와 예민도가 더 우수한 것으로 평가받고 있다.
이 시스템도 동물실험에서 유용성이 검증된 바 있어 D2 수용체 유전자 전달 후 ¹⁸F-FESP 섭취가 D2 수용체의 량 혹은 그 mRNA량과 좋은 상관관계를 보임이 확인되었다.⁴⁾
이어서 암세포에 이 벡터를 주입시킨 뒤 동물에 종양을 이식하였다. 이 동물모델에 BCNU 항암제투여로 종양세포의 DNA 손상을 유발한 결과 p53 전사가 증가함을 확인하였고, 124i-fiau PET 촬영을 한 결과 추적자의 섭취 증가를 관찰하였다. 이는 세포 내 p53 발현이 증가함으로써 세포안에 있던 reporter gene의 발현이 이차적으로 증가한 효과이며 따라서 p53의 발현을 PET로 영상화한 것이다.
재발성 glioblastoma 환자 5 례에서 종양에 HSV-l-tk 유전자 요법을 시행 후 ¹²⁴I]HAU PET 영상을 조사한 이 연구에서는 PET가 치료용 유전자의 발현 평가에 도움이 됨을 확인하였다.¹²⁾
이를 위해서는 두 개의 유전자가 한 개의 pro motor로 조절 받는 bicistronic 벡터나 각각이 동일한 종류의 promotor로 조절 받는 벡터 등을 이용할 수 있다. 전달한 유전자의 발현 정도를 인위적으로 조절할 수 있는 벡터의 이용도 흥미로우며, 본 연구진etetracycline regulatoi을 이용하여 trkA 유전자의 발현을 조절함에 따라 방사성 리간드의 섭취가 변함을 확인한 바 있다. 그 외에 동물 실험을 효과적으로 진행하기 위해서는 래트나 원숭이를 영상하기위한 장비의 개발도 필요하며, 현재 공간 분해능이 2 mm 내외의 micro-PET 시스템이 미국 몇 개 연구기관에서 개발된 바 있다.
주 제거 경로는 신장 배설이었지만 간 담도를 통한 배설도 상당 부분 있었으며, 이는 추적자가 지용성이기 때문인 것으로 해석되었다. Dosimetry 결과 방광에 대한 방사선 피폭이 0.1 mGy/MBq로 가장 높았으며 유효 방사선량은 0.016 mGy/MBq 이하였다.¹⁰⁾

후속연구

한편, PET 기술의 원리는 포도당 대사의 평가에 국한되지 않으며, 각종 생화학적 현상을 추적할 수 있는 다재한 잠재력을 보유하고 있다. 최근, 이러한 잠재력을 활용한 PET 유전자 영상이라는 기술이 새 물결을 일으키고 있으며, 향후 종양 PET의 적용 영역을 넓히고 암에 대한 분자 치료의 발전에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.
⁶⁾ 또, 정상 D2 수용체를 이용하면 신호전달에 따른 생물학적 효과가 일어날 수 있다는 우려에 따라, cAMP계 신호전달 기능이 없는 돌연변이 D2 수용체로서 D2R80A와 D2R194A 유전자를 개발한 연구가 있다.⁷⁾ 앞으로는 이와 같이 세포의 기능에 영향이 없는 영상용 유전자를 개발하기 위한 노력이 계속될 것으로 전망된다.
HSVl-tk 와 GFP 유전자가 연결된 reporter gene을 이번에는 nuclear factor activated lymphocyte (NFAT)response olemem 에 의해 조절 받도록 클로닝하고 이를 삽입한 레트로바이러스 벡터를 제작하여 T 임파구 백혈병 세포를 감염시켰다. 이어서 이 세포를 동물에 주입하고 항-CD3 혹은 항-CD28 항체로 임파구를 활성화시킨 후 24)-FIAU를 투여한 결과 활성화된 임파구에 섭취가 증가함을 확인하였다9) Endogenous gene 의 발현 영상기술은 아직 초기 개발 단계에 머무르고 있으나 이와 같은 기술은 암의병태생리를 이해하기 위한 매우 강력한 연구도 구가될 것으로 생각된다.
향후 유전자 영상 연구에서는 현재의 시스템 이외에 추가적인 영상용 표적과 방사성 추적자가 더 개발될 것으로 전망된다. 효소 시스템 중에는 현재 주로 이용되고 있는 HSVl-tk 유전자 보다 훨씬 널리 사용되고 있는 reporter의 영상 기술도 연구가 가능하다.

참고문헌 (18)

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