관절염 회복 열쇠 찾았다

by이순용 기자
2020.05.28 14:04:20

[이데일리 이순용 기자]가톨릭대 의과대학 창의시스템의학연구센터장 김완욱 교수 연구(교신저자), 공진선 연구원(제 1저자), 조철수 교수팀이 관절염 회복을 돕는 유전자를 도출, 관절염 회복을 모니터링할 수 있는 바이오마커로서의 가능성을 제시했다.

대다수 관절염 환자들은 염증이 지속적으로 진행되기 보다는 증상의 재발과 호전이 반복된다. 대개 완치가 어려워 염증이 호전된 상태를 되도록 오랫동안 잘 유지하는 것이 관절의 손상을 줄이고 영구적인 장애를 예방하기 위한 가장 효과적인 방법이다.

때문에 최근까지 관절염에 관한 연구는 주로 염증을 유발하거나 악화시키는 원인을 찾는데 주력해 왔으며 염증의 호전, 회복과 관련한 연구는 다소 산발적이고 제한적이었다. 또한 관절염의 회복과 자연치유를 매개하는 기전 및 이와 관련된 유전자 및 핵심적인 경로들을 발견하기 위한 체계적이고 광범위한 연구는 수행되지 않았다.

이에 김완욱 교수 연구팀은 관절염이 왜 스스로 좋아지는가에 궁금증을 가졌고 그 원인을 알 수 있다면, 또한 이를 주도하는 핵심적인 생체물질을 알아낸다면 생체리듬에 따라 균형잡힌 부작용 없는 치료방법이 될 것이라 가정했다.

류마티스 관절염의 대표적인 동물모델인 콜라겐 유도성 관절염 생쥐모델에서는 관절염의 시작->진행->자연치유의 과정을 거친다. 연구팀은 콜라겐 유도성 관절염을 심하게 앓고 나서 저절로 좋아진 생쥐의 관절조직을 얻은 후 3만개 이상의 유전자들(전사체, transcriptome)을 RNA 서열분석 방법으로 한꺼번에 분석했다.

시간경과에 따른 유전자 발현의 변화를 조사했고 단백질-단백질 상호작용 네트워크를 구축했으며 이를 통해 관절염의 자연치유를 주도하는 85개의 후보유전자를 선별했다. 이후 다양한 분석과 세포배양실험을 통해 그 동안 관절염에서 그 기능이 밝혀지지 않은 단백질인 인테그린(Itgb1), 알피에스-3(RPS3), 이와츠(Ywhaz)라는 핵심 유전자3개를 최종 선정했다.

선정된 세 가지 유전자는 질병이 호전된 관절조직에서 현저히 발현이 증가되어 있었고 염증을 억제하는 데 핵심적인 역할을 한다고 알려진 조절 T세포 (regulatory T cells)와 M2 대식세포에서 주로 생성됐었다. 또한 세 가지 유전자에 대한 재조합 단백질을 배양된 비장세포, 대식세포, 활막세포 등에 처리했을 때 염증을 증가시키는 사이토카인 (IL-6, TNF-알파)은 감소시키는 반면 항염작용이 있는 사이토카인 (IL-10)은 증가시켰다. 이는 세 가지 후보물질인 인테그린, 알피에스-3, 이와츠가 병든 면역세포의 흥분을 억제하는 효과가 있음을 보여준다.



세포배양실험에서 세 가지 후보 물질 중 ‘이와츠(Ywhaz)’의 항염효과가 가장 강력하였기에 관절염 모델동물에서 이와츠의 치료효과를 조사했다. 생쥐에서 류마티스 관절염의 동물모델인 콜라겐 유도성 관절염을 유도하고 이와츠 유전자가 탑재된 아데노바이러스를 두 차례 관절 내에 주사해 이와츠의 과발현을 유도한 것이다. 투여된 이와츠 유전자는 관절염의 진행과 악화를 현저히 억제했고(그림1), 관절조직, 림프절, 비장조직 등에서 염증유도성 사이토카인(IL-6, TNF-알파, IL-17)의 발현을 크게 감소시켰다. 결국 ‘이와츠’는 강력한 항염효과를 가지고 있으며 류마티스 관절염 치료를 위한 우수한 표적이 될 수 있음이 증명됐다.

관절염 유도 생쥐에서 이와츠(Ywhaz) 유전자 치료효과 확인 (A) 생쥐에서 류마티스 관절염을 일으킨 후 4주(화살표)와 5주(화살표)에 각각 이와츠 유전자를 주사하여 병의 위중도를 조사함. 대조군(분홍색 그래프)에 비해 이와츠 유전자를 탑재한 아데노바이러스를 관절 내에 주사한 생쥐(파란색 그래프)에서 관절염 크게 호전됨 (B) 이와츠 유전자를 탑재한 아데노바이러스를 관절 안에 주사한 생쥐(오른쪽)에서 유전자를 탑재하지 않은 대조군 생쥐에 비해 관절 붓기(위쪽)와 관절염을 유발시키는 염증세포 및 관절파괴(아래쪽)가 줄어듬.

이와츠는 관절염의 회복단계에 있는 생쥐의 혈청에서 상승되어 있었기에, 65명의 류마티스 관절염 환자의 소변에서 항류마티스 약물로 치료하기 전과 치료 후 6개월에 연속적으로 이와츠의 농도를 측정하였다.(그림2) 그 결과 우수한 치료 반응을 보인 환자의 경우 증상의 호전과 함께 이와츠의 농도가 상승되었다. 반면, 관절염이 부분적으로 좋아지거나 전혀 좋아지지 않은 환자에서는 각각 이와츠의 농도가 변화가 없거나 오히려 감소하였다. 이러한 결과는 이와츠가 인체 내에서 관절염의 완화상태를 반영할 수 있는 바이오 마커로서 활용될 수 있음을 보여준 것이다.

관절염 회복상태를 반영하는 바이오마커로서의 이와츠(Ywhaz) 도출 (A) 류마티스 동물모델인 콜라겐 유도성 관절염이 생긴 생쥐의 혈청에서 이와츠의 농도를 측정함. 관절염이 최고조(정점)에 이르렀을 때에 비교하여 회복단계에서 혈액 내 이와츠의 농도가 증가함 (B) 65명의 류마티스 관절염 환자에서 항류마티스 약물을 투여하기 전과 투여 후 6개월에 순차적으로 소변을 수집하여 이와츠의 농도를 측정함. 치료약물에 반응이 좋았던 환자에서는 약물치료 후 소변 내 이와츠 농도가 증가하였으나 반응이 보통인 환자에서 변화가 없었고 반응이 전혀 없었던 환자에서는 이와츠 농도가 오히려 감소함.

의학계에서는 그 동안 관절염을 포함해 염증을 악화시키는 원인을 찾아내 이를 억제하는 약물을 개발하기 위해 노력해 왔다. 그러나 이 억제약물들은 병든 면역뿐 아니라 정상적인 면역체계에도 손상을 주어 저항력이 떨어져 바이러스 감염 등이 생기는 부작용이 있었다.

이번 연구는 관절염이 인체 내에서 어떻게 스스로의 힘으로 자연 치유될 수 있는지 보여주는 최초의 연구이다. 김 교수팀은 이번 연구를 통해 관절염이 심할 때 관절을 보호하고 회복시키는 핵심적인 자연치유물질인 인테그린, 알피에스-3, 이와츠를 발굴하였다. 특히 이와츠라는 단백질은 간단한 피검사나 소변검사를 통해 관절염의 회복을 미리 예측할 수 있는 새로운 바이오마커로 활용이 가능하며 생체리듬에 따라 만들어지므로 부작용이 적을 것으로 기대된다.

김완욱 교수는 “이번 결과를 활용하여 관절염 환자의 재발과 회복에 대해 정확히 예측 가능한 바이오마커 평가 시스템을 구축하고 부작용을 최소화할 수 있는 새로운 치료제를 개발하여 관절염이 완전관해 되는 날이 오기를 기대해 본다”고 밝혔다.