폐암 종양근원세포를 추적하는 근적외선 프로브 개발. A-연구진은 710개의 형광물질을 보유한 라이브러리를 구축하고 고속처리검색법을 통해 폐암 종양근원세포를 선택적으로 염색할 수 있는 근적외선 프로브를 발굴했다. B-최종적으로 선택된 타이니어(TiNIR)는 종양근원세포를 선택적으로 염색해 구분할 수 있다. C-타이니어의 분자 구조. D-타이니어가 다양한 세포 중에서 종양근원세포(TS10, TS21)를 뚜렷하게 구분할 수 있음을 보여준다. (사진=기초과학연구원 제공)
암 줄기세포만 선택적으로 추적하는 새로운 형광물질이 개발됐다.
종양근원세포로도 불리는 암 줄기세포는 종양을 생성할 수 있는 능력을 갖춘 세포를 의미한다.
기초과학연구원(IBS)은 복잡계 자기조립 연구단 장영태 부연구단장 연구팀이 암 줄기세포를 표적으로 하는 형광물질 '타이니어(TiNIR)'를 개발하고 동물실험을 통해 항암 치료 가능성을 확인했다고 5일 밝혔다.
암을 치료한 후에도 줄기세포가 살아남으면 몇 년 간 숨어있다가 다시 활동하기 때문에 재발을 유도하고 암 치료를 어렵게 만드는 요인으로 작용한다. 손상된 암세포를 복구시키고 세포 밖으로 약물을 배출시키는 특성이 있어 암 치료를 더 어렵게 만들기도 한다.
암의 근본적인 치료를 위해서는 암 줄기세포를 식별해 제거하는 일이 중요하지만, 기존 탐지 기술은 이를 뚜렷하게 구분하기 어려웠다. 생체 환경에서 탐지가 어렵다는 한계도 있었다.
연구진은 암 줄기세포에서 헤모글로빈의 색소 성분인 헴(heme)을 분해해 생체 내 활성산소를 제거하는 효소인 'HMOX2' 단백질이 특이적으로 높게 발현됨을 확인하고 이를 바이오마커로 표적했다.
새롭게 개발한 형광 프로브 타이니어를 저농도로 세포에 주입하면 HMOX2 단백질과 결합해 적외선 영역의 형광을 내며 암 줄기세포를 시각화한다는 것을 확인했다. 살아있는 암 줄기세포를 염색하지 못했던 기존 기술의 한계를 극복한 것이다.
이후 생쥐에 타이니어를 직접 주입해본 실험에서도 살아있는 암 줄기세포를 추적할 수 있음을 확인했다.
연구진은 고농도 타이니어를 통한 항암 치료 효과도 파악했다.
폐암을 유발한 생쥐에게 100μM(마이크로몰 농도)의 고농도 타이니어를 이틀 간격으로 반복 주사한 결과 약물을 처리하지 않은 쥐는 종양이 점점 자라나 무게가 1.14g에 달했으나 고농도 타이니어를 주사한 쥐의 경우 종양 생장이 억제돼 그 무게가 0.16g에 불과했다.
암 발생 85일 이후 폐암 쥐가 생존할 확률은 거의 없지만, 고농도 타이니어를 주사한 경우 생존율이 70%까지 대폭 증가한 것도 확인했다.
이번 연구는 암 줄기세포를 환자에서 추적하고 제어할 수 있는 형광물질 기반 프로브를 개발한 것으로 향후 암의 사후 관리와 치료율 향상에 기여할 것으로 기대된다.
연구진은 향후 암의 전이 능력까지 억제할 수 있는 프로브를 찾아 나설 계획이다.
장영태 IBS 복잡계 자기조립 연구단 부연구단장, 김종진 IBS 복잡계 자기조립 연구단 연구원. (사진=기초과학연구원 제공)
장영태 부연구단장은 "고농도의 타이니어가 HMOX2의 기능을 억제하기 때문"이라며 "HMOX2의 기능이 억제되면 암 줄기세포 내 활성산소종(ROS)이 축적되고 이는 세포의 자살을 유도하는 것은 물론 줄기세포로서의 특성을 잃게 만든다"고 설명했다.
이어 "폐암뿐만 아니라 다른 암도 표적할 수 있음이 확인된 만큼 추가 연구를 통해 범용 암 치료제를 개발해볼 계획"이라고 말했다.
연구 결과는 화학 분야 권위지인 미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society) 8월 22일자 온라인 판에 실렸다.