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#5월 우수전문가 동향보고서(KOSEN Expert Insight)#

이 자료는 Icahn School of Medicine at Mount Sinai에 계신 오재균박사님께서 작성해주셨습니다.











1. 개요: 심장 내 세포 간 소통 연구의 중요성



심장은 심근세포(Cardiomyocyte), 섬유아세포(Fibroblast), 내피세포(Endothelial ce

#5월 우수전문가 동향보고서(KOSEN Expert Insight)#

이 자료는 Icahn School of Medicine at Mount Sinai에 계신 오재균박사님께서 작성해주셨습니다.











1. 개요: 심장 내 세포 간 소통 연구의 중요성



심장은 심근세포(Cardiomyocyte), 섬유아세포(Fibroblast), 내피세포(Endothelial cell), 면역세포(Immune cell) 등 다양한 기능이 있는 세포로 구성되어 있다. 그중 수축 능력이 있는 심근세포(Cardiomyocyte)는 심장박동에 있어서 가장 중추적인 기능을 한다. 그러나 심근세포의 비율은 생쥐의 경우 27: 56으로 섬유아세포가 두 배 정도 많으며, 인간의 경우에는 그 차이가 28:70까지 벌어진다1. 또한, 섬유아세포는 심장질환 시 근섬유모세포(Myofibroblast)로 변이하며, 복잡한 신호전달계가 활성화되는 반면, 심근세포의 신호전달계는 비교적 단순하다. 따라서 최근 연구자들은 섬유아세포가 외부의 변화와 자극에 민감하게 반응하여 각종 신호전달계를 활성화시키면, 이로 인해 심근세포의 행동이 결정된다고 생각하고 연구를 진행하고 있다. 이때 외부의 자극을 인지한 섬유아세포가 어떻게 심근세포에 영향을 주는지가 심장 연구자들의 화두이며, 이러한 세포 간 소통 연구는 비단 심장 분야뿐만 아니라 다양한 질환에서 최근 들어 중요하게 다루어지고 있는 개념이다. 이 보고서에서는 최근 세포 간 소통의 매개체로 각광받고 있는 엑소좀(Exosome)과 심장 내 엑소좀 연구의 동향에 대해 소개하고자 한다.



2. 엑소좀이란?



엑소좀은 30~100nm 크기의 세포 소낭 중 하나이다2. 엑소좀은 단백질과 지질, DNA, 메신저RNA, 마이크로RNA로 구성되어 있으며, 이들 구성 물질을 통해 면역반응과 항원 표출, 세포 간 신호전달, RNA와 단백질 전달 등의 생체 기능을 담당한다. 엑소좀은 섬유아세포를 포함하여 수지상세포(dendritic cell), 망상적혈구(reticulocyte), 상피세포(epithelial cell) 등 대부분의 세포에서 분비되며, 흥미롭게도 혈청이나 소변, 모유, 기관지 폐포 체액(bronchoalveolar lavage fluid), 양수(amniotic fluid) 등에 높은 농도로 존재한다. 따라서 체액 내의 엑소좀 성분 및 함량을 분석하여 임상적으로 활용하려는 다양한 시도가 현재 진행 중이다. 엑소좀은 크게 지질, 단백질, 핵산체(DNA, RNA)로 구성되어 있으며, Exocarta(www.exocarta. org)를 통해 다양한 구성 물질의 데이터베이스를 확인할 수 있다. 그중 마이크로RNA의 경우 현재까지 764종의 마이크로RNA가 발견되었다3. 공여세포(Donor cell)로부터 분비된 엑소좀 내의 마이크로RNA는 수용세포(Recipient cell) 내로 유입되어 수용세포 유전자의 발현을 조절하기 때문에 소량의 유입으로도 효과적으로 수용세포의 행동 변화를 유도할 수 있는 매개체이다.



3. 심장 내 세포 간 소통 연구의 동향



엑소좀을 통한 세포 간 소통은 심근세포-섬유아세포 간의 소통뿐만 아니라 심장 구성 세포가 다양한 만큼 복잡한 경우의 수를 가지고 망 형태를 이루고 있으며, 아직까지 이에 대한 종합적인 이해는 부족한 상태이며, 각 세포 간의 단일 연구를 통해 전체 그림을 맞춰가는 상황이다.

심장 내 세포 간 소통 연구의 대표적인 예는 Bang 박사의 연구로, 섬유아세포가 심근세포에 어떤 영향을 주는지에 대한 것이다4. Bang 박사는 섬유아세포에서 엑소좀을 통해 세포 밖으로 분비되는 마이크로RNA를 분석하여, miR-21*가 특이적으로 높은 농도로 분비되는 것을 알게 되었고, 이것이 심근세포에 영향을 줄 것이라 생각하여 연구를 이어간 결과, miR-21*가 SORBS2와 PDLIM5라는 유전자의 발현을 조절하여, 심근 비대증을 일으킨다고 발표하였다. 또 다른 흥미로운 연구 중 하나는 Halkein 박사를 통해 이루어진 연구이다. Halkein 박사는 산욕성 심근증(peripartum cardiomyopathy)을 오랫동안 깊이 연구한 연구자로, 그에 따르면 산욕성 심근증 환자의 섬유아세포와 내피세포에서 miR-146a가 많이 함유된 엑소좀을 분비하면 이로 인해 심근세포의 ERBB4, NOTCH1 등의 유전자의 발현이 저해되고, 그 결과 심근세포의 기능 손실이 일어나며 심근증 증세가 나타나게 된다5. Wang 박사의 연구에 따르면, 당뇨성 심근증에 있어서도 엑소좀을 통한 세포 간 소통은 매우 중요한 역할을 한다6. 이 경우 당뇨성 심근증이 일어난 심근세포에서 분비하는 엑소좀이 문제를 일으키며, 특별히 높은 농도의 miR-320이 내피세포의 유전자(IGF-1, Ets2, Hsp20) 발현을 저해하여 혈관 생성을 억제하는 결과를 낳는다. 패혈성 심근증에 있어서도 혈소판에서 분비되는 엑소좀에 다량으로 함유되어 있는 NADPH와 NOS 그리고 상대적으로 줄어든 miR-223로 인해 심근세포에 세포 죽음을 유도하는 신호가 전달되고, 이로 인해 심각한 심근증이 일어나게 된다7. 이처럼 대부분 신호의 수용세포는 심근세포로 섬유아세포, 내피세포, 혈소판 등 다양한 세포가 환경 변화를 인지하고 신호를 외부로 내면, 심근세포는 이에 영향을 받아 수축력 손실, 혈관 생성 억제, 세포 죽음 등 부정적인 영향이 일어나게 된다. 따라서 이러한 부정적인 신호로부터 심근세포를 보호하기 위한 연구가 현재 진행 중이다.

심장 내 세포 간 소통에는 이런 부정적인 신호만 존재하는 것은 아니다. 심근세포를 보호하고 살리는 방향으로 신호를 전달한 다양한 예가 존재한다. CD34+ 세포에서 분비되는 엑소좀이 그 한 예이다8. CD34+ 세포의 엑소좀에는 miR-126, miR-130 그리고 Shh 단백질이 특별히 많이 함유되어 있으며, 이를 통해 CD34+ 세포의 엑소좀은 심근경색이 일어난 동물 모델에서 혈관 생성을 유도하고 경색 부위를 줄이는 등 심근 손상을 최소화하는 효과를 보인다. 심장전구세포(Cardiac pro-genitor cell)에서 분비하는 엑소좀도 긍정적인 효과를 나타낸다9. Chen 박사의 연구에 따르면, 심장전구세포 엑소좀에 함유되어 있는 MMP와 EMMPRIN 단백질이 망가진 심장의 세포외기질(Extra-cellular metrix)을 복원하는 효과를 보인다고 알려졌다10. 심장공유래세포(Cardiosphere-derived cell)의 경우에는 심장공유래세포와 그 세포의 엑소좀의 효과를 나란히 비교해보았을 때, 기존의 알려진 심장공유래세포가 가지고 있는 치료 효과가 오롯이 심장공유래세포에서 분비되는 엑소좀에 의해 재현되며, 특별히 엑소좀 내에 있는 miR-146a, miR-22, miR-24, miR-210에 의해 일어난다고 알려졌다11. 이러한 엑소좀의 긍정적인 효과를 보인 연구의 공통점은 기존에 줄기세포(Stem cell)라고 알려져 있던 세포들, CD34+ 세포, 심장전구세포, 심장공유래세포 등이 엑소좀 공여세포로 긍정적인 엑소좀을 분비한다는 데에 있다. 기존의 줄기세포를 이용한 세포 치료의 개념은 줄기세포를 환자에게 주입해주면 환부로 이동하여 손상된 부위를 대체하는 조직이 된다는 것이었으나, 지속적으로 줄기세포에서 나온 엑소좀이 구체적인 효과를 보인다는 결과가 발표됨으로써 기존 개념에 규열이 생기고 있는 상황이다.



4. 결론



앞서 최신 연구를 통해 알 수 있듯, 심장 내에 있는 다양한 세포는 외부의 환경 변화에 민감하게 반응하여, 각자의 “메시지”를 내놓는다. 이러한 “메시지”는 엑소좀이라는 세포 소낭에 마이크로RNA나 단백질 등을 담아 분비되며, 심근세포는 이를 수용하여 기능에 변화를 일으키게 된다. “메시지”의 성격은 분비한 세포에 따라 긍정적일 수도 부정적일 수도 있으며, 실제 환자에서는 이 모두가 공존한 상태에서 종합적인 결과에 따라 심근세포의 기능이 결정되게 될 것으로 보인다. 현재까지 심장 내 세포 간 소통에 대한 연구는 각 세포별로 조건에 따라 세분화되어 있고 파편화되어 있어서 실제 환자에서 일어나는 세포 소통과는 거리가 있는 것이 현실이다. 이러한 통합된 연구를 가로막고 있는 장벽은 엑소좀을 분비하는 세포에 따라 분류하는 기술의 부재이다. 배양세포 모델이 아닌 생체(in vivo) 질병 모델에서 얻어진 엑소좀은 분비한 세포가 다양한 혼합물이다. 이것을 분비한 세포에 따라 분류하여야 질병 상황에서 어떤 세포가 가장 주도적으로 “메시지”를 내놓는지, 심근세포 행동에 가장 큰 영향을 미치는지 파악이 가능하나, 현재 기술로는 그것을 분간할 수 있는 능력이 부족하다. 이 기술을 위해 선행되어야 할 연구는 각 세포별로 분비된 엑소좀의 특이적인 표식을 찾는 일이다. 단백질체학(Proteomics)을 활용하여 이러한 표식을 찾기 위한 연구가 꾸준히 시도되고 있으며, 조만간 결실을 보리라 생각된다. 이러한 표식이 발견되면, 심장질환뿐만 아니라 각종 질환에서 이러한 표식을 기준으로 생체에서 얻어진 엑소좀을 분리하고 그 안에 있는 내용물을 확인하는 연구가 대단위로 이루어질 것으로 보이며, 이를 통해 다수의 진단 표식과 치료 타깃이 발견될 것으로 보인다. 엑소좀을 통한 세포 간 소통 연구는 이제 시작 단계이며, 앞으로 파생된 다양한 연구가 진행될 흥미로운 분야라고 생각된다.



References

1. van Amerongen, M. J. and Engel, F. B., Features of cardiomyocyte proliferation and its potential for cardiac regeneration. J Cell Mol Med 12 (6A), 2233 (2008).

2. Chaput, N. and Thery, C., Exosomes: immune properties and potential clinical implementations. Semin Immunopathol 33 (5), 419 (2011); Record, M., Subra, C., Silvente-Poirot, S., and Poirot, M., Exosomes as intercellular signalosomes and pharmacological effectors. Biochem Pharmacol 81 (10), 1171 (2011).

3. Valadi, H. et al., Exosome-mediated transfer of mRNAs and microRNAs is a novel mechanism of genetic exchange between cells. Nat Cell Biol 9 (6), 654 (2007).

4. Bang, C. et al., Cardiac fibroblast-derived microRNA passenger strand-enriched exosomes mediate cardiomyocyte hypertrophy. J Clin Invest 124 (5), 2136 (2014).

5. Halkein, J. et al., MicroRNA-146a is a therapeutic target and biomarker for peripartum cardiomyopathy. J Clin Invest 123 (5), 2143 (2013).

6. Wang, X. et al., Cardiomyocytes mediate anti-angiogenesis in type 2 diabetic rats through the exosomal transfer of miR-320 into endothelial cells. J Mol Cell Cardiol 74, 139 (2014).

7. Azevedo, L. C. et al., Platelet-derived exosomes from septic shock patients induce myocardial dysfunction. Crit Care 11 (6), R120 (2007).

8. Mackie, A. R. et al., Sonic hedgehog-modified human CD34+ cells preserve cardiac function after acute myocardial infarction. Circ Res 111 (3), 312 (2012).

9. Barile, L. et al., Extracellular vesicles from human cardiac progenitor cells inhibit cardiomyocyte apoptosis and improve cardiac function after myocardial infarction. Cardiovasc Res 103 (4), 530 (2014).

10. Chen, L. et al., Cardiac progenitor-derived exosomes protect ischemic myocardium from acute ischemia/reperfusion injury. Biochem Biophys Res Commun 431 (3), 566 (2013).

11. Ibrahim, A. G., Cheng, K., and Marban, E., Exosomes as critical agents of cardiac regeneration triggered by cell therapy. Stem Cell Reports 2 (5), 606 (2014).