엑소좀 전문 Sai Kiang Lim 박사 발표, MSC 엑소좀 1. 크기 100~200nm 2. CD9, CD81, ALIX, TSG1010, TfR 등 바이오마커 3. CTB와 강한 결합

“중간엽줄기세포(MSC) 유래 엑소좀은 재생의학 분야에서 차세대 치료제로 떠오르고 있다. 그런데 치료 효과를 내는 MSC 엑소좀을 분리할 수 있을까? 그전에 무엇이 MSC 엑소좀인지 특징부터 규명해야한다. 우리는 치료효과 가능성을 보이는 MSC 엑소좀의 3가지 특징을 밝혔다. 첫째, 100-200nm 크기, 둘째, CD9, CD81, ALIX, TSG1010 등의 엑소좀 마커. 마지막으로 MSC 엑소좀 막에 존재하는 GM1 갱글리오시드(gangliosides)는 콜레라독소(CTB)와 강한 결합력을 갖는다는 사실이다.”

                                 

▲싱가포르 과학기술 연구기관 A*STAR의 싸이 키앙 림 박사(Dr. Sai Kiang Lim)가 지난 20일 '엑소코바이오 리더콘서트'에서 강연을 하고 있다.

글로벌 엑소좀 리딩 과학자인 싸이 키앙 림 박사(Dr. Sai Kiang Lim)의 MSC 엑소좀에 대한 설명이다. 싱가포르 과학기술 연구기관 A*STAR(Agency for Science, Technology and Research)의 림 박사는 지난 20일 열린 ‘2018 엑소코바이오 리더 콘서트‘ 행사에서 'MSC(Mesenchymal Stem Cells) exosomes as cell-free therapy'라는 주제로 최신 연구내용을 발표했다.

림 박사는 2008년 세계 최초로 줄기세포 엑소좀의 조직재생 및 치료 효능 기능을 규명한 과학자다. 그는 줄기세포의 파라크라인 효과(paracrine effect, 주변세포 영향 효과)가 엑소좀에 기반했다는 사실을 최초로 발견함으로써 엑소좀을 바이오의약품으로 개발 가능하도록 했다. 현재까지 엑소좀 관련 논문 36편, 연구비 과제 39건, 특허 등록 54건 특허출원 34건 등 엑소좀 분야에서 활발한 연구 활동을 펼치고 있다. 현재 그는 엑소코바이오의 연구개발자문(Scientific Advisor)을 맡고 있다.

중간엽줄기세포(MSC)에서 분비하는 엑소좀(MSC 엑소좀)은 △급성/만성 심근 경색 △약물 유발 간독성 △골연골손상(Osteochondral defects) △중증 면역질환 △중증 유전 피부질환 △상처 치유 등 다양한 질환에서 치료 효과를 내는 것으로 보고되고 있다.

그렇다면 치료 효과를 내는 MSC 엑소좀을 구별하는 방법이 있을까? 최근 림 박사 연구팀은 MSC 엑소좀과 세포외소포체(Extracellular vesicles, EVs)의 특성을 규명하고, 그들의 생성과 흡수에 대한 분자 메커니즘을 분석하고 있다. 그는 “우리 연구팀은 중간엽줄기세포에서 분비하는 많은 물질 중 ‘엑소좀’이 갖는 3가지 특성을 발견했다. 크기, 바이오마커, 바이오제네시스(biogenesis) 특성으로 엑소좀과 세포외소포체를 구별할 수 있다”고 소개했다.

치료 가능성을 갖는 MSC 엑소좀의 특징은 다음과 같다. 첫째, 크기가 100~200nm이다. 림 박사 연구팀은 0.2μM, 1000, 500, 300, 100kDa 필터를 이용해 MSC 분비물 중 급성 심근경색(AMI) 쥐 모델의 손상을 보호하는 역할을 하는 물질의 크기를 찾았다. 그는 “놀랍게도 100~200nM 사이즈의 MSC 분비물에서만 보호기능이 있었다. 나머지는 보호 기능이 없었다”고 말했다. MSC에서 분비하는 물질이라고 모두 치료 효과를 내는 것은 아니라는 얘기다. 실험결과, MSC 분비물 중 약 25%가 손상 보호 역할을 하는 100~200nM 사이즈에 속했다.

이후, MSC 엑소좀 동정을 위해 동적광산란(Dynamic light scattering, DLS) 분석법을 이용했다. 림 박사는 “MSC 엑소좀을 동정하기위해 오랜시간 연구했다. 보통 울트라 원심분리기를 사용했지만 치료 효능을 갖는 활성화된 엑소좀이 아니었다. 우리는 DLS 분석법을 사용해 엑소좀 크기를 측정하고, 액체 크로마토그래피를 통해 밀도가 1.10~1.19g/ml인 엑소좀을 분리할 수 있다”고 설명했다. DLS는 액체에 분산되거나 용해된 입자의 특성을 분석하는 방법으로 일반적으로 1nm 미만까지 크기를 측정할 수 있고 분자량 1000Da 미만 분자의 크기까지 측정할 수 있는 분석법이다. 림 박사 연구팀은 MSC-엑소좀은 크기 100-200nm, 밀도 1.10~1.19g/ml를 가진다고 규명했다.

둘째, MSC 엑소좀 바이오마커다. 림 박사는 “핵심은 지질막에 위치한 막 단백질이다. 활성화 MSC 엑소좀에는 세포내 신호전달 과정에서 다양한 역할을 하는 CD9, CD81 등의 막 단백질과 ALIX, TSG101 등의 단백질이 존재한다”면서 “특히 엑소좀 마커는 인지질막 복합체와 함께 존재한다는 사실을 발견했다”고 강조했다.

MSC 엑소좀이 생성되는 과정을 보면 이해할 수 있다. 엑소좀은 세포막의 지질이 고리형태를 이루는 지질뗏목(lipid raft)에서 세포의 내포작용(endocytosis) 과정에 의해 생성, 분비된다. 림 박사는 “우리는 MSC 엑소좀이 lipid raft의 microdomain에서 내포작용에 의해 유래됐다는 사실을 증명했다. 실험결과, MSC 엑소좀은 세포막 리간드인 트랜스페린(transferrin)를 포함한다”고 설명했다. 그는 트랜스페린은 클라트린(clathrin)을 매개로 endocytosis를 일으키고, 일부는 엑소좀에 의해 재사용된다고 덧붙였다.

림 박사는 “콜레라독소(Cholera Toxin B, CTB)와의 친화력도 우수했다”며 “MSC 엑소좀이 GM1 ganglioside를 내포하고 있기 때문”이라고 강조했다. CTB는 세포막 lipid raft에 다량 존재하는 GM1 ganglioside 수용체와 강하게 결합해 endocytosis 되는 대표적인 리간드이다. 따라서 마지막 MCS 엑소좀은 endocytosis된 트랜스페린과 CTB를 포함하고 있는 것이다.

그는 “CTB는 MSC에서 분비하는 소포체(EV)와 결합했고, 그들은 엑소좀 마커인 CD9, CD81, ALIX, TSG101, TfR을 보유하고 있었다. 즉, CTB는 MSC에서 분비한 엑소좀과 결합하는 특성을 가지는 것이다. MCS 엑소좀의 마지막 특징이다.

이제 남은 과제는 MSC 엑소좀을 치료제로 활용할 수 있도록 하는 것이다. 림 박사는 “현재 주요 이슈는 ‘어떻게 MSC 엑소좀을 재현(reproducibility) 가능하도록 하는가‘이다. 우리는 치료적 잠재력을 갖는 MSC 엑소좀을 치료제(product)로 발전시키기 위해 학계, 산업계 차원의 모임에서 다양한 논의를 진행하고 있다. MSC 엑소좀을 Cell-free 치료제로서 개발하기 위해 노력을 다할 것”이라고 자신했다.

이날 행사에서 조병성 엑소코바이오 대표는 “2018년 1월부터 싸이 키앙 림 박사는 엑소코바이오의 연구개발자문으로 역할을 하고있다. 림 박사의 자문으로 아토피치료제, 급성신장염치료제에 대한 회사의 연구개발 수준을 높이는 데 기여하고있다”고 말했다.