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제목 [KFRM 푸름이야기 제12회] 생물정보를 전달하는 생체 나노입자, 엑소좀
등록일 2023.08.10

생물정보를 전달하는 생체 나노입자, 엑소좀

[KFRM 푸름이야기] 제12회: 차세대 바이오의약품으로 주목받는 줄기세포 엑소좀 치료제 개발현황


(글: 브렉소젠(주) 김수 대표)



엑소좀은 어떤 물질일까요?


엑소좀(exsosome)은 세포로부터 분비되는 지름 30~100 나노미터(nm)인 아주 작은 소포(vesicle)로 거의 모든 진핵세포에서 분비되며 다양한 기능을 가지고 있습니다. 1980년대 연구자들이 미성숙 적혈구의 성숙 및 제거 과정을 조사하던 중 처음 발견되었다고 알려져 있습니다. 엑소좀의 생물학적 기능은 2000년 이후 본격적으로 알려지기 시작하였고, 최근에 들어서는 세포 간 정보교환 과정에서의 중요한 역할 때문에, 엑소좀을 이용한 질병의 진단 및 치료, 조직으로의 약물 전달 등 다양한 분야에서 응용이 확대될 것으로 주목받고 있습니다. (그림 1)


(그림 1) 엑소좀의 형태, 유래 및 세포 간 정보교환 역할 



다세포 생물체는 유기체로서 존재하며, 하나의 개체를 구성하는 여러 종류의 계통, 기관, 조직, 세포가 다양한 방식(mode)을 통하여 생물정보를 교환합니다. 대표적으로 호르몬 생산 및 분비, 신경세포의 활동전위 및 시냅스, 면역세포에서 나타나는 세포 간 접촉 등이 있습니다. 엑소좀은 신체 내부 조직을 가로질러 생물정보를 전달하기 위한 나노캡슐로 쉽게 이해할 수 있습니다.


엑소좀은 거의 모든 생물 종에서 발견되었으나, 그 기능은 아직 많이 알려지지 않았습니다. 여러 기능 중, 특히 DNA, RNA 및 단백질을 다른 세포로 전달하여 표적 세포(target cells)의 기능을 변경하는 것은 아주 중요하다고 하겠습니다. 또한 동물 (인간) 엑소좀은 생체세포 뿐 아니라 혈액, 소변, 타액과 더불어 양수, 활액, 정액, 질액, 모유 등과 같은 체내의 다양한 체액에서도 존재하고 있습니다.



왜, 많은 연구자들이 엑소좀에 관심을 갖고 연구개발 하고 있을까요?


엑소좀 안에 탑재된 정보는 엑소좀을 분비하는 세포의 유형, 상태, 혹은 외부 자극에 따라 달라진다고 보고되었습니다. 현재까지 알려진 엑소좀의 다양한 기능에 대해 좀 더 자세하게 알아보겠습니다.


세포 간 정보교환 : 엑소좀은 이웃하거나 멀리 떨어진 세포/조직 간의 통신을 매개하는 전령(메신저) 역할을 합니다. 이들은 단백질, 유전 물질 및 지질을 전달할 수 있으며 표적 세포의 특성과 기능에 변화를 일으킵니다.

면역기능 조절 : 엑소좀은 면역 세포의 활동을 조절하고 항원 제시를 촉진하는 신호 분자를 전달하여 면역 반응에서의 역할을 담당합니다.

조직 복구 및 재생 : 줄기세포 및 손상된 조직에서 방출된 엑소좀은 이웃 세포의 행동에 영향을 미치고 세포 성장을 촉진하여 조직 복구 및 재생에 기여합니다. 현재 대부분의 줄기세포 치료법이 중간엽세포를 이용하고 있으며, 중간엽줄기세포에서 분비되는 엑소좀을 회수하여 자가면역/만성염증/섬유화질환 등에 적용하고 있습니다. 오래전에 개발된 대부분의 만성질환 치료 기술은 부작용이 큰 문제점이기 때문에, 학계에서는 엑소좀 치료제가 개발되면 부작용 우려가 현저히 적은 유용한 치료제가 될 것으로 기대하고 있습니다.

생의학 응용에서의 엑소좀 : 체내 안정성, 생체적합성 및 생물학적 장벽 (biological barrier) 통과 등 엑소좀이 갖고 있는 고유한 특성은 생의학 응용 분야에서 다양하게 활용될 수 있습니다.

진단 바이오마커 : 엑소좀을 분비하는 세포로부터 특정 생체분자를 운반할 수 있어 다양한 질병에 대한 잠재적인 바이오마커(질병이나 노화가 진행되는 과정에 특징적으로 나타나는 생물학적 지표가 되는 변화)가 됩니다. 연구자들은 엑소좀을 활용하여 암 및 기타 상태를 진단하는 시도를 하고 있습니다. 대표적인 예로서, 알츠하이머성 치매 환자의 경우, 임상증상(어떤 질병을 진단할 때 임상적으로 확인할 수 있는 증상) 위주의 진단법에 비하여 혈액 내 엑소좀에서 인산화된 타우 단백질 (tau protein)의 발현 측정을 통해 알츠하이머성 치매 진단을 4년이나 앞당길 수 있었다고 합니다. 그 밖에도 퇴행성/난치성 질환의 조기진단 마커로서의 실용화 연구가 꾸준히 진행되고 있습니다.

약물 전달체 : 엑소좀은 특정 치료제를 운반하도록 조절할 수 있어서 표적 조직이나 세포에 약물을 전달할 수 있습니다. 특히 암세포와 같이 현저하게 기능이 떨어진 세포, 혹은 노화된 세포를 표적으로 하는 치료 약물을 효율적으로 전달시킬 수 있을 것으로 기대됩니다. 현재 혁신 치료법으로 평가받고 있는 바이러스벡터 및 지질 나노입자 기반 치료제와 비교하여서도 면역원성(면역 반응을 일으킬 수 있는 항원으로 작용하는 성질)이 현저히 적기 때문에, 부작용에서 벗어날 수 있다는 장점이 있습니다.



가까운 미래에 줄기세포 유래 엑소좀 치료제가 개발되어 난치성 질환자 치료에 희망이 될 것으로 기대합니다. 


특히 줄기세포 유래 엑소좀은 조직 복구 및 재생을 촉진하는 잠재력을 보여 재생 의학 연구의 큰 관심이 되어 왔습니다. 지금까지 재생 의학 연구는 세포치료에 초점이 맞추어졌었지만, 최근에는 비슷한 효과를 보이지만 보관이 편리하고 효율적이며 부작용 우려가 현저하게 적은 줄기세포 유래 엑소좀을 기반한 재생 의학 연구가 매우 활발하게 진행되고 있습니다. 세포에서 유래하는 물질이기 때문에 부작용이 적고 안전성이 높아 생물학적으로 자연스럽고, 대량생산이 가능한 공정을 도입함으로써 엑소좀 의약품 개발이 가능합니다.


이러한 엑소좀의 재생 의학 활용 가능성을 높게 평가한 브렉소젠(주)에서는 기존 줄기세포치료제의 한계, 확장성 및 상용화의 어려움을 개선할 수 있는 줄기세포 엑소좀 치료제를 개발하고 있습니다. 엑소좀 의약품 개발 및 생산에 최적화된 유도만능줄기세포로부터 유래된 중간엽줄기세포주에 줄기세포 활성화-엑소좀 기술을 활용해 플랫폼 기술을 구축하였으며, 해당 플랫폼 기술을 통해 다양한 질환 치료를 표적할 수 있는 각기 다른 효능을 지닌 엑소좀을 생산하고 있습니다.


현재 해당 플랫폼 기술로부터 개발된 엑소좀 아토피 피부염 치료제가 중증 아토피 피부염 환자를 대상으로 미국에서 임상 1상 시험을 진행 중에 있습니다. 또한 전 세계적으로도 다양한 기관에서도 각각 독자적인 기술을 통해 발굴된 엑소좀 치료제의 임상 시험을 활발히 수행 중에 있습니다. (그림 2) 다양한 엑소좀 임상 시험들이 활발하게 진행되다 보면 머지않은 미래에 엑소좀 치료제가 시장에 출시되어 난치성 질환으로 고통받는 환자들에게 큰 도움을 줄 수 있을 것이라 기대됩니다.


(그림 2) 기업주도 글로벌 임상 시험 현황



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