[메디먼트뉴스 이광익 기자] 서울대학교 공과대학은 전기정보공학부 권성훈 교수 연구팀이 서울대학교 의과대학(서울시 보라매병원) 내분비대사내과 김상완 교수팀과의 공동 연구를 통해 초고령화 사회의 대표 질환인 골다공증을 효과적으로 치료할 수 있는 새로운 메커니즘과 약물 조합 전략을 발견했다고 밝혔다.
이번 연구 성과는 골대사 분야의 세계적 권위지 ‘본 리서치(Bone Research)’에 지난 4월 2일 게재됐다.
연구 배경: 뼈 구멍 뚫리는 골다공증, 치료제 한계 극복이 관건
골다공증은 뼈의 질량이 줄어들고 미세구조가 손상돼 마치 구멍이 뚫린 것처럼 뼈가 약해지는 질환이다. 50대 이상의 여성 3명 중 1명이 겪을 정도로 흔해졌지만, 고관절이나 척추 골절 시 1년 내 사망률이 20%에 육박할 만큼 치명적이다. 따라서 골다공증 치료와 골절 예방을 위해서는 골량을 높이는 적극적인 약물 치료가 필수적이다.
하지만 의료 현장에서 사용되는 기존 약물들은 여러 한계와 부작용으로 인해 치료에 어려움을 빚고 있다. 가장 보편적인 ‘골흡수억제제’는 뼈가 녹는 것을 막아주지만 새로운 골 질량을 늘리는 효율이 낮고, 약물 투여 중단 시 골량이 다시 급격히 빠져나가는 ‘반동적 골감소’ 현상을 야기한다.
또한 현재 가장 강력한 효과를 내는 ‘골형성촉진제’도 장기 사용 시 심혈관 질환 위험성이 높아지기 때문에 사용 기간이 최대 1~2년으로 엄격히 제한돼 있다. 이처럼 치료 옵션이 한정적이다 보니, 의료진과 환자 모두 고충을 겪고 있어 더욱 안전하고 강력한 치료 전략이 절실한 상황이다.
골다공증의 근본적 치료 전략을 세우기 위해서는 뼈 생성을 주도하는 ‘조골세포’의 활성 기전을 정확히 파악하는 것이 무엇보다 중요하다. 하지만 조골세포는 단단한 뼈 표면에 매우 얇게 밀착돼 존재하는 특성 때문에, 기존의 일반적인 세포 분리 방식으로는 세포를 손상 없이 추출해 분석하는 것이 불가능에 가까웠다. 따라서 이러한 기술적 한계는 조골세포의 활성 기작 규명과 새로운 골다공증 치료 전략 수립에 큰 걸림돌이 되어왔다.
이에 권성훈 교수팀은 레이저 기반 세포 분리 장비(Spatially resolved laser activated cell sorter, SLACS)를 개발해 이 난제를 해결하는 성과를 거뒀다.
연구팀은 조직 내에서 세포의 위치 정보를 유지하면서도 특정 세포만을 정밀하게 추출하기 위해, 미세 공정 기술과 레이저 광학 기술을 결합하는 연구를 지속했다. 그 결과, 적외선 레이저에 반응해 순간적으로 팽창·폭발하는 특수 ‘희생층’ 구조를 고안해냈다. 그리고 이를 통해 마치 종이에서 원하는 부분만 정교하게 ‘펀칭(Punching)’하듯 세포를 분리하는 원천 기술을 확보했다.
※ 희생층: 조직이 올라가는 글라스 슬라이드에 코팅된 층으로 적외선 레이저를 흡수해 폭발하는 특성을 가지고 있다. 조직과 슬라이드 사이에 존재해 폭발할 때 발생하는 힘으로 조직을 분리해낸다.
세계에서 유일하게 공간 정보를 기반으로 세포를 분리하는 이 장비는 세포에 가해지는 물리적 손상을 극소화하면서도, 극소량의 희귀 세포까지 빠르게 추출할 수 있다. 연구팀은 이 혁신적 공학 기술을 활용해 단단하고 거친 뼛속에 숨어 있던 조골세포만을 정밀하게 선별해냈으며, 마침내 조골세포 내에서 골 형성을 조절하는 핵심 기작을 전사체 수준에서 정확히 읽어내는 데 성공했다.
이어 연구팀은 이번 분석을 통해 기존에 알려진 경로 외에 골 형성을 조절할 수 있는 또 다른 메커니즘을 찾아냈다.
현재 임상에서 가장 강력한 효과를 보이는 기존 골다공증 치료제 ‘로모소주맙(Romosozumab, 제품명 이베니티)’은 뼈 형성을 방해하는 단백질인 ‘스크레로스틴(Sclerostin)’을 억제해, 조골세포 활성화의 필수 경로인 ‘WNT 신호 전달 체계(WNT signaling)’를 자극하는 원리로 작용한다.
하지만 연구팀은 조골세포의 활성 단계별 전사체 분석을 통해, WNT 신호 외에도 ‘TGF-β 신호 전달 체계(TGF-β signaling)’가 조골세포의 성숙과 골 생성 효율에 깊이 관여한다는 사실을 세계 최초로 확인했다. 기존 약물이 하나의 길(WNT)만 열어줬다면, 연구팀은 뼈를 만드는 또 다른 주요 통로(TGF-β)를 추가로 발견한 셈이다.
· 기존 약물 뛰어넘는 새로운 치료 가능성 확인
나아가 연구팀은 이 두 가지 경로를 동시에 공략하는 복합 치료 전략을 제시했다. 기존의 로모소주맙(Romosozumab)과 TGF-β를 조절하는 1D11 항체(1D11 antibody)를 조합해 투여하면, 기존 단일 약물(로모소주맙)만 처방했을 때보다 골량이 더욱 빠르고 효과적으로 증가한다는 사실을 동물 실험 결과로 입증해 차세대 골다공증 복합 치료의 새로운 가능성을 열었다.
· 공대-의대 ‘초학제적 협력’이 일궈낸 바이오헬스 혁신
이번 성과는 공학적 혁신과 임상적 통찰이 시너지를 발휘한 ‘초학제적 공동연구’의 결실이다. 서울대병원의 의대 연구팀은 실제 진료 현장에서 마주하는 임상적 미충족 수요(Unmet Needs)를 바탕으로 치료의 한계를 극복할 기초 가설을 제시했고, 공대 연구팀은 독자 개발한 SLACS 장비를 통해 그간 베일에 싸여 있던 조골세포 활성 기작을 성공적으로 규명해냈다.
이후 의대 연구팀의 풍부한 전임상 실험 노하우를 결합해 최적의 약물 조합을 디자인하고 효능 검증까지 마침으로써, 기초 연구가 실제 치료 전략으로 이어지는 중개 연구의 모범 사례를 제시했다는 평가를 받는다.
※ 전임상: 사람(환자)을 대상으로 한 임상시험에 들어가기 전 단계의 연구로, 주로 세포 또는 동물을 대상으로 한다.
기대 효과: ‘실험실 너머 세상으로’… 글로벌 시장이 주목하는 세포 분석 기술
이번 연구 성과의 핵심인 SLACS 장비는 학술적 성과를 넘어, 이미 실제 산업에 적용되는 단계에 진입했다. 해당 기술은 생명공학 스타트업인 메테오 바이오텍(Meteor Biotech)이 판매하는 ‘코스모소트(CosmoSort)’라는 명칭의 장비로 상용화됐으며, 생물학적 시료를 가장 정밀하게 분석할 수 있는 혁신적 장비로서 시장에서 독보적 위치를 점하고 있다.
또한 글로벌 제약사를 포함한 세계 유수의 연구 그룹들의 장비 도입은 이번 기술의 혁신성을 증명하고 있다. 따라서 SLACS 장비는 향후 골다공증뿐만 아니라 암, 면역 질환 등 다양한 난치성 질병의 신약 개발 과정을 획기적으로 단축할 게임 체인저가 될 것으로 기대된다.
연구진 의견
논문의 제1저자인 최아현 연구원은 “본 연구를 통해 약물 투여 시 생체 내에서 일어나는 복잡한 조절 네트워크를 완벽히 구축하는 기술의 필요성을 절감했으며, 이번 성과에 안주하지 않고 실제 치료제 보급을 위한 후속 연구에 매진할 계획”이라며 “단순히 두 약물을 조합하는 단계를 넘어, 두 가지 기작을 동시에 조절할 수 있는 차세대 ‘이중항체 신약’을 개발해 환자들이 보다 간편하고 안전하게 치료받을 수 있는 길을 열 것”이라고 밝혔다.
최아현 연구원은 세계적 수준의 연구 역량을 갖춘 바이오 전문가를 목표로, 학문적 시야를 넓히기 위한 해외 유학을 준비 중이다.
권성훈 교수는 “이번 연구는 시작일 뿐이다. SLACS 장비를 활용한 약물 기작 규명은 골다공증뿐 아니라 다양한 질병에서 최적의 약물 조합을 찾는 새로운 표준 전략이 될 것”이라고 강조했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 기초연구사업(중견연구), 보건복지부(보스턴코리아혁신연구지원), 산업통상자원부(패키지형), 4단계 두뇌한국 21(BK 21 FOUR), 서울대학교병원 연구기금의 지원을 받아 이뤄졌다.
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