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KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 코스모스

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암을 정복하는 metabolic labeling

예전부터 수많은 사람들이 수명을 늘리기 위해 노력하였다. 구석기 시대부터 기원후 1900년까지 수 십 만년 동안 지구상에 살았던 인류의 평균수명, 정확하게 말하면 ‘출생 당시 기대수명’(Life expectancy at birth)은 큰 변화 없이 대략 20세에서 30세 사이였다. 인류 탄생 이래 1900년까지 거의 정체되었던 인류의 평균수명이 1950년에 유례없이 48세로 급증하여 인류 역사상 가장 괄목할 만한 수명연장을 가져왔고, 2010년에는 다시 67세로 증가되어 또 한 번 놀라운 수명 연장을 이룩하였다. 이는 전세계의 인류가 만들어 낸 위대한 성취였다. 첫 번째 인류 생명의 연장은 플레밍의 위대한 발견, 페니실린이 없었다면 불가능했을 것이다. 그러나 인류의 무한할 것만 같았던 생명연장은 어느 순간 정체해버렸다. 그 이유는 바로 암 때문이었다.


인류의 영원한 적, 암

암(cancer)는 악성종양(malignant tumor)의 일종이다. 세포주기가 조절되지 않아 세포분열을 계속하고, 매년 수많은 사람들이 암에 걸려 세상을 떠난다. 페니실린이 개발되고 수많은 항생제들이 나왔지만, 암처럼 변이가 다양한 질병에 대응할 수 있는 약품은 아직 세상에 나오지 않았다. 암이 우리 몸의 면역체계를 회피하는 방법은 간단하다. 항원을 인식하여 공격을 담당하는 cell인 T cell이, 자신(암)을 인지하지 못하게 암의 세포막의 수용체를 변이 시키는 것이다. 따라서 한 개체의 암에 대한 항체를 인간이 개발한다고 하더라도, 개발한 항체가 인지(recognition) 할 수 있는 암의 수용체가 변해버리면, 그 항체는 아무짝에도 쓸모가 없는 것이 된다. 이를 면역학에서는 immune escape이라고 한다. 따라서 아직까지 인간의 암에 대한 뾰족한 해결책이 없는 것이다.


수많은 변종들을 일으키는 암

발상의 전환

그러나 발상의 전환을 해보자. 왜 굳이 우리가 변이된 암에 따라서 이리저리 항체를 개발해야 하는 것일까? 암이 우리가 targeting 하고 싶은 수용체를 가지게 하도록 할 수는 없는 것일까? KAIST LAB of Immunotherapy에서 6개월간 지도를 받은 결과, 우리는 암에 metabolic labeling이라는 단계를 거쳐서 우리가 원하는 작용기 (혹은 수용체)를 세포막에 표지시킬 수 있었다. 이제부터 metabolic labeling의 기초와, 어떻게 항체가 cytotoxicity를 가졌는지에 대해 말해보겠다. 그러기 위해 암세포의 특징 몇 가지를 알 필요가 있다. 암세포는 다음 몇 가지 특징들을 가지고 있다. 1. 자급자족하는 성장신호, 2. 성장 억제 시그널에 둔감, 3. 세포사멸을 하지 않음, 4. 무한 증식 능력(그에 따른 엄청난 양의 당(glucose) 섭취), 5. 지속되는 혈관 형성, 6. 조직 침범 및 암세포의 전이


대사가 활발한 암세포는 앞의 4번 특징에서도 설명했듯이 glucose의 uptake가 정상세포에 비해서 훨씬 많다. 우리가 metabolic labeling에 사용할 물질은 총 2개인데, GalNAz와 BCN-FITC이다. GalNAz는 아자이드기가 붙어있는 당의 일종이다. BCN-FITC는 BCN와 FITC로 이루어져 있는데, FITC의 경우 T 세포가 인지할 수 있는 부위이고, BCN의 경우는 GalNAz의 N3 group과 FITC가 잘 결합하도록 연결을 도와주는 부위이다. GalNAz (N-azidoacetyl galactosamine tetraacylated)도 당(sugar)의 일종이므로 암세포들은 많이 흡수할 것이다. 흡수된 GalNAz는 암세포의 표면에 위치하게 되고, 아자이드기(N3)가 세포 표면에 노출된다. BCN기는 click chemistry에 의해 아자이드기와 결합하고, 결과적으로 세포 표면에 노출되는 FITC는 나중에 T 세포가 암세포를 인식하고 공격하는데 사용될 것이다.



Click Chemistry

그렇다면 BCN과 N3가 click chemistry에 의해 결합하였다 하였는데, click chemistry가 과연 무엇일까? 화학 합성에서, click chemistry는 생화학에서 흔히 사용되는 생체적합성 소분자 반응의 한 종류로, 특정 생체 분자와 선택 기판이 결합하는 화학 반응이다. Click chemistry는 단 하나의 특정한 반응이 아니라 자연에서 예를 따르는 제품을 생성하는 방법을 설명하며, 소형 모듈러 유닛(modular unit)을 결합하여 물질을 생성하기도 한다. 이 반응은 생물학적 조건에 국한되지 않고, 약리학 및 다양한 생체모방 응용분야, 생체 분자의 검출, 국산화 및 자격 검증에 특히 유용하게 활용되어 왔다. 이 과정에서 bioconjugation 같은 기술이 개발되기도 하였다. Click chemistry는 생화학에 종사하는 사람들의 강력한 기술 가운데 하나이다.


크게 세가지 종류의 반응으로 나눌 수 있는데, Copper(I)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC), Strain-promoted azide-alkyne cycloaddition (SPAAC), Strain-promoted alkyne-nitrone cycloaddition (SPANC) 총 세가지로 나눠진다.


CuAAC는 이름에서 알 수 있듯이 아자이드기(N3)와 알카인이 cycloaddition을 통해 결합하는 것이다. 그 과정에서 구리는 촉매로 사용된다.


SPAAC 반응은 CuAAC와 반응물질은 같지만 strain이 promoted 되어 있으므로 CuAAC와 여러모로 다른 반응이지만 cycloaddition의 메커니즘은 동일하다. 이 경우에는 벤젠 링과 같은 불소 이외의 대체물도 허용된다.


SPANC은 세 과정 중에 가장 반응속도가 빠른 반응이고, 알카인과 nitrone기가 1, 3 cycloaddition을 통해 결합하는 것이다.


The two-copper mechanism of the CuAAC catalytic cycle

Metabolic Labeling 결과와 cytotoxicity

실험의 유효성을 위해 총 4가지 종류의 암세포를 만들었다. 아무 수용기도 넣지 않은 암세포, GalANz 만 넣은 암세포, BCN-FITC를 넣은 암세포, 둘 다 넣은 세포 총 4가지 부류를 만들어, 미리 FITC를 targeting 할 수 있는 항체와 섞어보아 얼마나 죽는지 그 efficiency를 확인할 수 있었다.


아래 그림은 FITC가 암세포에 얼마나 발현되었는지 알 수 있는 그래프이고, 실험결과 암에 Azide sugar인 GALNAz를 넣어야지 FITC가 Tumer cell에 결합할 수 있다는 사실을 알게 되었다. 또 특이하게 FITC를 넣었지만, Azide suger를 넣지 않는 집단은 FITC를 아예 넣지 않은 2개의 집단보다 형광의 세기가 무시할 수 있는 수치이지만 조금 세다는 것을 확인할 수 있는데, 이는 Tumer cell 표면에 비특이적으로 FITC가 결합했기 때문이라고 추측할 수 있다.


각 tumor cell에 대한 FITC 발현된 정도

아래의 그림은 항체와 세포들을 직접적으로 섞어주어 cytotoxicity를 확인한 결과이다. GalNAz와 BCN-FITC중 어느 하나라도 빠진다면 붉은색과 파란색과 거의 같은 행보를 보이므로, 우리는 항체가 암세포를 인식하기 위해서는 GalNAz와 BCN-FITC가 모두 필요하다는 것을 알 수 있다. 그러나 한계점도 분명히 존재한다. 일반 세포도 암세포와 마찬가지로 당을 흡수하므로, FITC의 발현이 암세포뿐만 아니라 일반 세포에서도 한다는 것이다. 따라서 이를 해결하기 위해 암세포와 일반 세포를 구별할 수 있는 메커니즘이 필요하다.


GalNAz와 BCN-FITC의 여부에 따라 항체를 넣어줬을 때 암세포의 생존율을 보여주는 그래프이다.


정인환 학생기자│Chemistry│지식더하기


참고자료

[1] https://ko.wikipedia.org/

[2] KAIST Lab of Immunotherapy


첨부 이미지 출처

[1] Gettyimages.com



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