항염증성 알츠하이머 치료제, 새로운 길을 여는가?

논문 표지. Nature Medicine

지난 편에서는 알츠하이머란 어떤 병이고, 소개하고 있는 논문에서 저자들이 어떤 이유로 약을 개발하고자 하였는지, 기존 약과의 차이점은 무엇인지에 대해서 설명 드렸습니다.

https://ideasomewhere.com/entry/%EC%95%8C%EC%B8%A0%ED%95%98%EC%9D%B4%EB%A8%B8-%EC%B9%98%EB%A3%8C%EC%9D%98-%EB%B0%A9%ED%96%A5%EC%9D%80-%EC%96%B4%EB%94%94%EB%A5%BC-%ED%96%A5%ED%95%98%EA%B3%A0-%EC%9E%88%EB%8A%94%EA%B0%80

 

이번 편에서는 실험자들이 정말 실험을 어떤 식으로 진행했는지, 왜 이 약이 기존의 항체 치료제보다 더 나을 것이라고 생각하게 됐는지에 대한 실험적 근거들을 말씀드리도록 하겠습니다.

(본편으로 넘어가기 전에, 본 논문은 open access가 아니기 때문에 데이터 없이, 말로만 설명하는 것에 대해 양해 바랍니다.

더불어 생명과학적인 내용에 익숙하지 않으신 분들은 말로만 된 설명을 들으면 너무 어려울 수 있으므로, 따로 요청하시면 제가 부분부분씩은 캡쳐로 보여드리던지, 댓글로 추가적인 설명을 드리도록 하겠습니다.)

 

신약을 개발할 때, 우리가 신약을 바로 동물한테 투여할 수는 없을 것입니다. 첫 번째 이유로, 많은 사람들은 동물 인권에 대해서 생각할 텐데, 맞습니다. 이 약이 잘 듣는지 아닌지도 모른 채로 먼저 동물에게 투여부터 시작한다면, 너무 많은 동물을 사용하게 될 것입니다.

두 번째 이유는 사실 실험 자체의 부담에 있습니다. 동물 실험에 한 두 마리 사용하고 말 것이라면 실험자도 큰 부담 없이 실험할 수도 있을 것입니다 – 윤리적인 문제가 아니고, 실제 실험 시간의 측면에서요. 그러나 실험은 기본적으로 아무 것도 처리하지 않은 대조군이 있어야 하고, 우리가 약을 투여하는 실험군이 있어야 합니다. 더불어 약이 어떤 농도에서, 얼마만큼의 시간대에서 작용하는지 전혀 모르는 상태에서 시작한다면, 이 마릿수는 계획에 따라 훨씬 불어나기도 합니다.

 

그래서 실험은 먼저 세포 실험, 영어로는 in vitro 실험부터 진행하게 됩니다. 그래야 이 약이 정말로 효과가 있을지를 대강이라도 알고, 적당히 어떤 농도에서 작용할지를 가늠하고 동물 실험에 들어갈 수 있습니다.

 

이 논문에서, 세포 실험에 사용한 세포도 여러 종류고, 그 이유도 각기 존재하지만, 큰 틀만 잡고 말씀드리자면, 먼저 세포주(Cell line) 실험을 먼저 진행합니다. 이 세포주는 실험자들이 얼렸다 녹이기도 하고, 보다 편히 사용할 수 있는 세포입니다. 이후 소개해 드릴 테지만, 이것보다도 더 생물학적으로 의미 있다고 생각하는 것이 일차세포(Primary cell)입니다. 이 세포는 쥐에서 직접 추출해낸 세포이기 때문에, 세포주를 사용하는 것보다 훨씬 더 실제 생체 반응에 가까울 것이라고 추측하고 사용하는 것입니다.

 

실험자들은 먼저 세포주를 사용해서 약을 처리합니다. 지난 편에서 설명드렸듯, 이 약은 아밀로이드를 잡아먹게 하면서, 항염증 반응을 일으킬 것이라고 기대하고 있습니다. 그렇다면 실험자들이 봐야 하는 지표도 이와 같습니다. 아밀로이드를 이 약과 같이 처리하였을 때, 대조군과 비교하여 세포주가 아밀로이드를 더 잘 잡아먹는가? 그리고 아밀로이드를 잡아먹으면서 항체 치료제와 다르게 항염증 반응을 일으키는가?

 

실제로 사용한 세포주 실험에서, 이 융합 단백질은 대조군과 비교하여 훨씬 더 아밀로이드를 잘 먹게끔 유도합니다. 더불어 실험자들은 추가적인 실험을 진행합니다. 정말로 이 융합 단백질을 통해서 우리가 원하는 수용체, TAM 수용체가 활성화되는지를 확인한 것입니다. 이 융합 단백질을 처리하게 되면, TAM 수용체 중에서도 AXL 수용체가 인산화되는 것을 확인하여, 실험자들이 원하는대로 융합 단백질이 성공적으로 만들어졌고, 기능하는 것을 확인하게 됩니다.

 

이후 실험은 일차세포를 통해서 진행하게 됩니다. 쥐의 뇌에서 떼어낸 일차 별아교세포astrocytes와 일차 미세아교세포microglia를 사용합니다. (이 세포들은 이하 영어로 astrocyte와 microglia라고 표현하겠습니다.) 당연히 astrocyte와 microglia에서도 이 융합 단백질이 잘 기능하는지를 먼저 확인하고, 이 세포들을 통해서는 염증 반응과 관련된 실험을 더 진행합니다. 항체 치료제와 융합 단백질을 처리한 군들에서 아무 것도 처리하지 않은 대조군과 비교해 얼마나 염증 반응이 일어나는지를 확인한 것이지요.

항체 치료제를 처리한 군은 대조군과 비교하여 염증성 물질인 사이토카인cytokine을 증가시킨 반면, 융합 단백질은 대조군과 비슷하거나 오히려 더 떨어지는 경향을 보여 항염증성 반응을 가진다는 것도 역시 증명합니다.

 

이 논문에서 역설하는 이 약의 강점 중에 하나는, 기존의 항체 치료제는 microglia만 반응하는데 반해서 융합 단백질은 astrocyte와 microglia를 동시에 기용하는 것인데요. 뇌에 존재하는 세포의 비율 중 astrocyte가 가장 큰 비율을 차지한다고 알려져 있어서, 이것이 아밀로이드를 청소하는데 더 큰 효과를 줄 것이라고 생각하게 됩니다.

 

다시 염증 반응 얘기로, 일차세포 배양에서 염증 반응이 심하게 일어나면, 일차 신경세포primary neuron 같은 경우는 그 줄기가 뚝뚝 끊어지는 것 같은 양상을 보이게 되는데요. 이 primary neuron에서도 항체 치료제를 처리한 경우는 줄기가 잘게 부서지지만, 융합 단백질은 이러한 분절을 유도하지 않습니다.

 

이와 같은 실험들을 통해서 실험자들은 in vitro 실험에서의 융합 단백질의 기능을 규명합니다.

 

세포 실험으로 보여줘야 할 것을 모두 보여줬으니 동물 실험으로 넘어가야겠지요?

 

실험자들은 알츠하이머 모델 쥐인 APP/PS1과 5xFAD라는 쥐를 사용합니다. 이 쥐들은 각각 인간에게서 발견된, 알츠하이머를 유도할 수 있는 유전자를 도입하여, 쥐에서 알츠하이머 증상을 보이게 만든 것인데요. 사람과 마찬가지로 뇌에서 아밀로이드가 축적되는 것을 관찰할 수 있습니다.

 

실험자들은 쥐의 뇌 속으로 직접 항체 치료제 제제와 융합 단백질 제제를 투여합니다. 위에서 말씀드렸듯, in vitro 실험에서 사용한 농도를 기준으로, 뇌에 넣었을 때 최종 농도가 어떻게 될 것인지를 고려하여 농도를 조절하였다고 하는데요 – 이는 논문에 있는 내용이 아니고, 이 실험을 진행한 사람에게 직접 물어보아서 알 수 있었습니다. 투여한 결과 항체 치료제와 융합 단백질 모두 아밀로이드를 줄이는 것을 확인하였습니다.

그리고 뇌 속에 존재하는 어떤 세포가 아밀로이드를 먹어치웠는지를 확인하였을 때, in vitro 실험과 같은 결과를 얻을 수 있었는데요. Microglia는 두 약에 대해서 같이 반응하는 데에 반해서, astrocyte는 오로지 융합 단백질을 투여하였을 때만 반응한 것을 확인하였습니다.

 

자, 그런데 이전 편을 읽고 오신 분들은 알고 계시겠지만, 사실 실험자들은 단순히 이 아밀로이드를 더 잘 먹게 하는 약을 개발하고 싶었던 것이 아닙니다. 항염증 반응을 가지고 싶었던 것은, 단순히 그게 위험할 것 같다는 순진한 생각 때문이 아니고, 실제로 환자에서 뇌출혈이 일어났기 때문이죠.

 

그래서 실험자들도 혈관에 쌓인 아밀로이드와 뇌출혈 자체를 검출해보기로 합니다.

 

뇌에 직접 약을 투여하게 되면, 그 자체로 문제가 생길 수 있기 때문에, 이번에는 척추 주사를 사용하는데요. 놀랍게도, 이렇게 척추 주사를 통해서 전달된 항체 치료제는, 혈관에 쌓인 아밀로이드에 아무 영향을 주지 않습니다. 원인은 정확히 알 수 없습니다만, 환자에게서 나타나는 양상과 비슷합니다. 무려 쥐인데도 말이죠. 더불어 뇌출혈을 검출해 보았을 때는 – 비록 통계적으로 차이는 나지 않지만 – 대조군에 비해서 더 증가하는 경향성을 보입니다.

 

융합 단백질은 어땠을까요? 놀랍게도 융합 단백질은 혈관에 쌓인 아밀로이드에서부터 차이를 보이게 됩니다. 혈관에 쌓인 아밀로이드가 줄어든 것은 물론이요, 뇌출혈마저도 줄어든 것을 확인하였습니다.

즉, 환자에게서 나타나는 뇌출혈을 비록 쥐 모델이나마 완화시키는 데 성공한 것이지요. 이것이 이 논문의 가장 중요한 포인트 중 하나인데, 기존의 항체 치료제가 가진 가장 큰 약점을 상쇄한 것이라고 생각합니다.

 

이후로는 염증 반응에 대한 지표를 보기 위한 실험을 진행합니다.

그런데, 생각해 봅시다. 머리에 직접 약을 꽂아 넣거나, 어쨌든 주에 두어번씩 척추 주사를 한답시고 쥐를 잡고 스트레스를 주면, 염증은 없어지더라도, 분명 뭔가 문제가 생길 것 같습니다. 이렇게 직접적으로 어떤 것을 전달하는 방식을 침습적이다invasive고 얘기하는데, 이런 invasive한 방법으로는 염증 반응에 대해서 제대로 측정하기 힘들 것 같다는 생각을 한 것 같습니다. 그래서 실험자들은 비침습적non-invasive한 방법을 찾습니다.

 

그래서 실험자들은 이 약들이 뇌에서 직접 생산될 수 있게 바이러스를 만들어서 뇌로 전달합니다. 비록 바이러스를 뇌에 감염시키는 과정은 invasive하지만, 그 이후로는 뇌를 꼬매서 다른 자극을 피할 수 있습니다 – 매우 아이러니해 보이지만 말이죠.

 

그리고 이전 실험과는 다른 지표들을 확인합니다.

 

첫 번째는 신경 연접synapse에 관한 것입니다. 사람의 인지 능력은 이 synapse에 의해서 결정된다는 말이 많은데, 알츠하이머에서는 이 synapse가 굉장히 많이 사라집니다. 그리고 이것이 인지 능력의 저하로 이어진다는 연관관계는 매우 잘 알려져 있습니다. 이렇게 synapse가 소실되는 원인으로는 microglia가 원래는 먹지 말아야 할 synapse를 먹기 때문에 그렇기도 합니다.

이 과정은 염증 반응에 의해서 조절되는 경향이 있기 때문에, 실험자들은 항체 치료제와 융합 단백질을 전달한 뇌에서 이 synapse를 먹는 양상이 어떻게 달라지는지를 관찰합니다.

 

결과는 사뭇 놀랍습니다. 사실 이쯤 되면, 항체 치료제가 이 양상을 심화시킬 것이라는 건 예상하실 것입니다. 그러나 융합 단백질은 단순히 이를 대조군과 비슷한 정도로 맞추는 정도가 아니었습니다. 융합 단백질을 처리한 군에서는 이 synapse와 관련된 지표가 알츠하이머에 걸리지 않은 일반 쥐에 비견될 정도로 변화합니다.

 

동시에 진행된 행동 실험 결과도 이를 반영한 것 같습니다.

두 가지 인지 능력 평가를 진행하였는데, Novel object recognition test (NOR)이라고 불리는 것과 Novel object location test (NOL)이라고 불리는 것입니다. 간단히만 설명하자면, 쥐는 원래 새로운 물체에 대해서 더 흥미를 가지는데, 알츠하이머 쥐들은 새로운 물체를 넣어줘도, 이 물체가 새로운 것인지를 인지하지 못하기 때문에 흥미를 보이지 않습니다. 그래서 새로운 물체를 넣어줬을 때, 쥐가 얼마나 흥미를 보이는지를 측정하여 인지 능력을 평가하는 것입니다.

 

이 두 가지 행동실험에서, 항체 치료제는 한 가지 행동실험만 회복하는 양상을 보였지만, 융합 단백질은 두 가지 행동실험 모두에서 회복하는 양상을 보였습니다. 융합 단백질이 보여주는 모든 지표에서 항체 치료제보다 낫다는 것을 보여주는 것이지요. 보통 쥐로 보여줄 수 있는 최종적인 실험인 행동 실험에서조차 말입니다.

 

사실 추가적으로 RNA-sequencing에 관한 내용도 있는데, 이 내용은 너무 전문적인 얘기로 들어가게 될 것 같아서, 추가적으로 설명 드리지는 않겠습니다.

이 부분에 대해서 궁금하신 분들은 따로 질문 주시면, 질문에 대해 다뤄야 하는 깊이에 따라 따로 글을 쓰거나, 댓글로 달아드리도록 하겠습니다.

 

어휴, 길고도 길었습니다.

 

그래서 이 논문을 통해서 말할 수 있는 것은 무엇일까요?

정리해보자면 이렇습니다.

기존에 알츠하이머를 치료하려고 만들고 있던 항체 치료제는 대부분 실패하거나, 얼추 성공하는 양상을 보이더라도 그 부작용이 극심해서 환자들의 입장에서는 불안하기 짝이 없었습니다. 물론 기억을 잃어버리느니 부작용을 감안하더라도 치료를 받을 수밖에 없으니, 그야말로 울며 겨자 먹기의 심정일 것입니다.

그러나 이 논문에서 보여주는 내용들은, ‘아, 반드시 항체 치료제만이 답이 아니구나! 이런 식으로 할 수도 있구나!’ 하는 새로운 생각을 보여줍니다.

새로운 약이 논문으로 나오고, 실제로 임상 과정을 거치고, 출시되기까지는 아주 긴 시간이 필요합니다. 실제로 약이 될 가능성도 굉장히 낮지요. 하지만 항체 치료제로만 주도되던 시장에 한 줄기 다른 방향으로 물꼬를 틀어줬으니, 훨씬 다양한 방법으로 약이 개발될 여지를 준 것이라고 생각됩니다. 환자에게 훨씬 더 유리한 방향으로 말이지요.

 

부디 이 약이던, 혹은 이 약에서 착안한 다른 약이 되었던, 어서 부작용 없는 알츠하이머 치료제가 출시되어 더 이상 알츠하이머로 고생하는 환자와, 환자 가족들이 없었으면 좋겠다는 바람입니다.

 

혹시 소개받고 싶은 논문이 있거나, 어떤 주제의 내용이 있다면 댓글로 달아주세요! 제 분야가 아니라면 조금 힘들지만, 뇌, 퇴행성 뇌 질환, 치매, 알츠하이머 등과 같은 주제라면 전혀 거리낌이 없고, 그보다 조금 더 넓은 범위에서 물어보셔도, 가능한 답변해 드릴 수 있도록 노력하겠습니다.

 

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.