바이오산업동향

알츠하이머성 치매 환자 맞춤형 치료효능 예측 기술 개발
의학약학 한국보건산업진흥원 (2021-01-13)
한국보건산업진흥원은 서울대학교 의과대학 생화학교실(묵인희 교수)과 한국과학기술원(KAIST) 바이오및뇌공학과(조광현 교수) 공동연구팀이 “알츠하이머 환자 유래 뇌 오가노이드* 모델과 시스템생물학**의 융합을 통하여 환자 맞춤형 약물 효능평가 플랫폼(Drug-screening platform)을 세계 최초로 개발했다”고 밝혔다.
   * 뇌 오가노이드: 환자의 역분화 줄기세포(iPSC) 유래 인공 미니 뇌
   ** 시스템생물학: IT의 수학모델링 및 컴퓨터시뮬레이션과 BT의 분자세포생물학 실험을 융합하여 복잡한 생명현상을 규명하고 설명하는 연구 패러다임

알츠하이머병은 치매의 약 70%를 차지하는 대표적 치매 질환이나 현재까지 발병 원인이 불명확하며, 근본적인 치료제도 없는 인류가 극복하지 못한 질병 중 하나이다.

알츠하이머병 치료제 개발 난제 중 하나는 실제 살아있는 환자의 뇌를 직접 실험 샘플로 사용할 수 없다는 것이었다. 이는 수많은 치료제 후보군의 약물 효능을 정확히 평가하기가 어려워 치료제 개발의 걸림돌로 작용해왔다.

본 연구팀은 실제 치매환자에서 유래한 뇌 오가노이드 기반으로 생물학적 메커니즘에 대한 수학 모델링을 융합하여 약물효능 예측이 가능한 플랫폼을 세계 최초로 개발하였다.

환자 혈액으로부터 역분화줄기세포(Induced-pluripotent stem cell)* 구축 후 이를 이용하여 3D 뇌 오가노이드 제작하여 실제 환자의 뇌와 유사한 환경 구축을 통해 실험적 한계를 극복하였다.
   * 역분화줄기세포: 다능성이 없는 혈액 면역세포에 역분화를 일으키는 4가지 특정 유전자를 도입하여 배아 줄기세포와 같이 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 성질(다능성)을 가진 줄기세포

또한, 시스템생물학 기반 수학 모델링 기법으로 알츠하이머병의 신경세포 특이적 네트워크망을 구축하고, 이를 실제 알츠하이머병 환자 및 정상군 유래 뇌 오가노이드를 통하여 신경세포 컴퓨터 모델의 실효성을 검증하였다.

본 연구결과는 알츠하이머병의 시스템생물학 기반 신경세포 컴퓨터 모델을 실제 환자 유래 뇌 오가노이드로 검증한 세계 최초의 사례이다. 이를 통해 환자 맞춤형 치료(Precision medicine)의 불모지로 여겨졌던 뇌 질환분야에서도 알츠하이머병 환자의 유전형에 따른 최적의 약물 타겟 발굴에 기여할 것으로 기대된다.

묵인희 교수는 “본 시스템생물학 플랫폼을 통해 알츠하이머병 환자의 유전형에 따라 최적의 약물 발굴이 이루어진다면 치매 치료제 개발 경쟁에서 우리나라가 국가적 우위를 선점할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 보건복지부 및 한국보건산업진흥원에서 지원하는 국가치매극복기술개발 사업으로 수행되었으며,  ‘Nature Communications’ 2021년 1월 12일자 논문으로 게재되었다.

※ 게재 논문 정보

- 저널명: Nature Communications (IF: 12.121, 해당 MULTIDISCIPLINARY SCIENCES 분야 상위 7.746%)
- 논문명: A logical network-based drug-screening platform for Alzheimer‘s disease representing pathological features of human brain organoids
- 저자정보: (제1저자) 박종찬 (서울대학교 의과대학 박사), 장소영 (KAIST 박사과정), 이동준 (서울대학교 의과대학 박사과정)
(교신저자) 묵인희 교수 (서울대학교 의과대학), 조광현 교수 (KAIST)


1. 연구성과의 의의 및 차별성

 본 연구성과는 약물 효능 평가를 위한 시스템생물학 플랫폼을 통해 개인 맞춤형 치료 결과를 예측하고 다양한 알츠하이머병의 근본적인 치료제 발굴 과정을 가속화할 수 있음. 환자 맞춤형 기반(precision medicine) 치료의 불모지로 여겨졌던 뇌 질환분야에서도 알츠하이머병 환자의 유전형에 따라 최적의 약물 효능 예측 및 약물 타겟 발굴이 가능하게 됨. 즉, 환자 맞춤형 시스템생물학 플랫폼을 개발함으로써 치매분야의 정밀 의학을 통한 치료제의 개발에 기여할 수 있음.
 본 연구성과는 시스템생물학적 수학 모델링과 실제 환자유래 뇌 오가노이드를 융합한 세계 최초의 사례임. 일반적인 불멸 세포주를 이용한 시스템이 아닌, 실제 환자 혈액을 이용한 뇌 오가노이드 구축기술을 활용하여 인체와의 연관성을 높인 신경세포 컴퓨터 모델을 약물 효능 평가 시스템생물학 플랫폼으로 개발함. 기존의 2차원 세포 배양 구조에서 탈피하여 3차원 구조를 가지는 뇌 오가노이드를 제작함으로써 병인 단백질 축적을 생리학적으로 유사하게 모방함. 시스템생물학 접근방법을 통하여 뉴런 내의 복잡한 분자 조절 관계를 네트워크화 하여 비선형적 동역학 분석을 통해 모델링함. 대량의 샘플(뇌 오가노이드 1300여개)을 단시간에 스크리닝 할수 있는 HCS장비를 사용함으로써, 실제 약물의 스크리닝에 적합한 최신기법을 적용함.

2. 사회경제적 파급효과
 현재까지 개발되지 않은 알츠하이머병의 근본 치료제 발굴을 위한 경쟁이 전 세계적으로 치열한 가운데 본 시스템생물학 플랫폼을 통해 약물효능 예측을 통한 맞춤형 약물 개발이 이루어진다면 치매 치료제 개발 경쟁에서 우리나라가 국가적 우위를 선점할 수 있을 것으로 기대됨.

 

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출처: [BRIC Bio통신원] 알츠하이머성 치매 환자 맞춤형 치료효능 예측 기술 개발 ( https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=326539 )