서울대 의과학과 정두현 교수 국내 연구진이 패혈증(敗血症)의 원인이 되는 면역기작을 밝혀내 향후 치료제 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 서울대 의과학과 정두현 교수 연구팀이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 면역분야 국제학술지 PLos Pathogens 5월 9일자에 게재되는 한편 관련된 국제특허출원도 이뤄졌다. 감염에 따른 과도한 면역반응으로 세포와 조직이 손상되는 초기 패혈증은 염증성 물질 자체를 억제하려는 방식의 연구가 진행되었으나 이러한 접근의 경우 체내의 전반적인 면역을 떨어뜨려 세균의 번식증가나 2차 감염 우려 등의 한계가 있었다. 따라서, 패혈증 초기의 과도한 면역반응을 억제하면서도 세균에 맞서 싸우는 면역력은 떨어뜨리지 않는 연구가 필요한 실정이었다. 정두현 교수 연구팀은 침입한 세균의 일부 패턴을 인식해 신호를 전달함으로써, 세포내 면역반응을 유도하는 단백질 NOD2가 단순 감염시 인체를 보호하던 것과 달리 패혈증이 발생한 경우 오히려 패혈증을 악화시키는 기작을 알아냈다. NOD2 신호전달을 억제하면 패혈증 증상을 억제하고 생존율을 높일 수 있는데, 실제 NOD2가 제거된 생쥐의 경우 패혈증 유도시 열흘 동안 살아있는 반면 NOD2가 존재하는 정상생쥐는 이틀 내에 사망했다. 연구팀은 NOD2가 혈액응고와 관련된 염증성 물질 C5a의 생성을 촉진하여 패혈증을 악화시키는 것을 밝혀냈다. 패혈증이 유도된 생쥐의 면역세포인 호중구(好中球)에서 NOD2에 의해 면역반응을 조절하는 싸이토카인 중 IL-1β와 IL-10의 분비가 현저히 증가하는 것을 확인하였으며, 이들 두 종류의 싸이토카인이 C5a의 생성을 억제하는 호중구 표면단백질 CD55의 생성을 억제하여 패혈증 증상이 악화되는 것이다. 이에, NOD2 억제물질을 패혈증 유도 생쥐에 주입하자 특정 싸이토카인의 분비가 줄고 체내 염증성 물질 C5a가 감소했다. 정 교수는 “패혈증의 병인과 생존율을 조절할 수 있는 면역기작에 대한 중요한 정보를 얻게 되어 향후 패혈증 치료제 개발을 위한 기반이 될 것”이라고 밝혔다. 연 구 결 과 개 요 1. 연구배경 패혈증은 세균 감염을 통한 체내 과도한 면역반응에 의한 염증을 동반한 질병으로 치사율이 70%에 이르고 전 세계적으로 하루에만 1500명이상 사망하는 심각한 질환이다. 하지만 다른 질병에 비해 사망률이 상당히 높음에도 불구하고 아직까지 특별한 치료약이 개발 되지 못하고 있다. 초기의 과도한 면역반응에 의한 다량의 싸이토카인(cytokine)과 염증성 물질들에 의한 조직 세포 손상 등을 억제하기 위해 염증성 물질 억제 연구가 진행되어 왔으나 오히려 세균의 번식을 증가와 2차적 감염을 통한 사망률을 증가시키는 것으로 보고되었다. 따라서 패혈증 초기 일어나는 과도한 면역반응은 저해시키고 병원균의 제거 능력은 향상시킬 수 있는 안전하고 높은 효율을 얻을 수 있는 연구 개발이 절실한 상황이다. NOD2는 세균의 일부 패턴을 인식하여 세포내의 신호전달을 통해 다양한 면역 반응을 유도하는 선천성 면역 단백 수용체 (Pattern recognition receptor) 이다. 본 연구에서는 패혈증에서의 NOD2의 신호전달의 역할 연구함으로써 패혈증을 악화시키는 기작을 규명하였다. 2. 연구내용 정상 마우스 (WT) 와 NOD2 결핍마우스 (Nod2-/-) 에서 패혈증을 유도하여 생존율을 관찰한 결과 NOD2 신호전달이 되지 않는 경우 생존율이 크게 증가하는 것과 함께 패혈증의 병인과 생존율에 밀접한 관련이 있다고 알려진 보체(complement)인 C5a 양이 현저히 감소되어 있음을 확인 하였다. 이러한 결과를 바탕으로 NOD2 결핍 마우스에 임의적으로 재조합 C5a을 주입하여 C5a양을 증가시켜 정상 마우스와 비슷한 증상을 보이는 것을 확인하여 패혈증에서 NOD2 신호전달에 의한 C5a 증가가 병의 증상과 생존율에 밀접한 관련이 있음을 규명하였다. NOD2 신호 전달에 의한 C5a 증가 메커니즘을 규명하기 위해 패혈증 모델에서의 다양한 종류의 염증성 물질들을 측정하였고, 그 결과 패혈증이 유도 되었을 때 NOD2 신호전달에 의해 체내에 싸이토카인 IL-1β와 IL-10가 현저히 증가됨을 확인하였다. 또한 다양한 면역 세포에서 NOD2가 발현되지만 특히 Ly6G+ (Neutrophil :　호중구) 세포에서 발현되는 NOD2 신호 전달을 통해 IL-1β와 IL-10 싸이토카인이 증가되고 이러한 싸이토카인에 의해 패혈증 유도 마우스 체내에 C5a를 증가되어 생존율이 조절되는 것을 규명하였다. 보체인 C5a의 발현이 싸이토카인에 의해 조절 되는 메커니즘을 규명하기 위해 다양한 종류의 보체 형성을 조절하는 여러 체내기작을 연구하였다. 그 중 보체형성 조절 단백(complement regulator) 연구를 진행을 통하여 싸이토카인 IL-1β와 IL-10의 분비가 보체 형성 조절 단백의 하나인 CD55의 발현을 조절하는 것을 규명하였다. CD55의 재조합 수용성 단백을 패혈증이 유도된 마우스에 주입하여 실제 C5a의 양이 감소되는 것과 함께 패혈증 유도 마우스의 생존율이 증가됨을 관찰하였다. 지금까지의 결과를 종합적으로 이용하여 선천성 면역 단백인 NOD2의 조절을 통한 패혈증 완화기작을 연구하기 위한 실험을 진행하였다. NOD2는 하위에 Rip2 카이네이즈를 이용하여 신호를 전달하므로 Rip2 카이네이즈를 억제 시킬 수 있는 SB203580을 처리하여 NOD2 신호전달을 억제시키는 연구를 진행한 결과, NOD2 신호전달에 억제에 따라 IL-1β와 IL-10 분비의 감소와 C5a의 감소를 확인하였다. 최종적으로는 생존율이 증가됨을 관찰함으로써 NOD2 신호전달 억제를 통한 패혈증의 완화를 확인하였다. 본 결과는 국제특허로 출원 (2013.3.21 출원번호:13/848,286) 하였으며, PLoS Pathogens (2013, impact factor:9.127)에 발표하였다. 3. 기대효과 NOD2 단백의 기능의 연구를 통하여 치사율이 높고 현재까지 치료법 개발이 미비했던 패혈증의 병인과 생존율을 조절할 수 있는 면역기작에 대한 중요한 정보를 제공하였으며 이를 통하여 치료제 개발을 위한 기반을 마련할 수 있다. 그림 1. 세균이 체내 감염된 경우 NOD2에 의한 신호전달 체계 - 세균이 감염되면 세포내의 NOD2 단백이 세균의 특정 부위를 인식하여 신호를 전달시킴. 이때 가장 중요한 매개 단백질이 Rip2 카이네이즈(kinase)이며 이를 통해 하위 단백들이 활성화 되고 면역반응을 조절하는 다양한 종류의 싸이토카인이 분비된다. 패혈증의 경우 체내 세균에 대한 다량의 세균에 노출되어 면역 반응이 과도하게 유도되어짐. 그림 2. NOD2 신호전달에 의한 패혈증 조절기작 규명 실험 결과 - (A) 정상의 마우스와 NOD2 신호전달 단백이 결핍되어 있는 마우스(Nod2-/-)에 패혈증을 유도한 후 생존율 관찰. 결과 NOD2 신호전달이 되지 않는 경우 생존율이 증가되고 이는 C5a 보체에 의한 결과임을 확인함. (B) NOD2 신호전달에 억제에 의한 C5a 감소가 IL-1β와 IL-10 싸이토카인 분비에 의한 것임을 증명. (C) IL-1β와 IL-10 싸이토카인에 의해 C5a 형성을 조절하는 CD55 단백의 발현이 조절되고 있음을 보여줌. (D) 실제적으로 패혈증 유도 마우스에 재조합 된 CD55를 주입하는 경우 체내 C5a의 감소와 함께 생존율이 증가함을 관찰함. (E) NOD2의 신호전달을 억제 하기위해 하위 분자인 Rip2 카이네이즈를 억제할 수 있는 SB203580을 패혈증 유도 마우스에 주입하여 C5a의 감소와 함께 생존율 증가를 확인함. 그림 3. NOD2 신호전달에 의한 패혈증 조절기작 규명 요약도 - 패혈증 모델에서 NOD2의 신호전달은 Ly6G+ 세포 (호중구) 를 중심으로 다양한 면역 반응을 유도하게 됨. IL-1β와 IL-10 싸이토카인 분비를 통해 보체 형성 억제 인자인 CD55의 발현을 조절하여 패혈증의 가장 핵심적인 요소인 C5a를 증가 시키며 이것이 생존율에 직접적인 역할을 하고 있음을 밝힘. 기사 보기