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엑소좀 치료와 진단: 임상 분야에서의 가치 향상

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엑소좀은 정상적인 생리 과정의 일부로 또는 특정 병리학적 조건에서 세포에서 생겨난 나노 입자 크기의 세포외 소포입니다. 엑소좀 진화에 대한 이전 블로그에서는 초기 발견부터 세포외 소포 연구 분야에서의 최근 인기까지 이 천연 나노 입자 관련 기술 발전에 대해 알아보았습니다.

3부 블로그 시리즈 중 2부에 해당하는 이 글에서는 엄선된 최대 규모의 과학 정보 컬렉션인 CAS Content Collection™의 정보를 심층 분석하여 약물 전달 및 진단 분야에서 엑소좀 치료의 주요 응용 현황을 개략적으로 소개합니다.

엑소좀 치료의 새로운 연구 동향

CAS 컨텐츠 컬렉션을 활용하여 약물 전달과 진단 분야에서의 엑소좀 활용과 관련된 과학 간행물에서 주요 개념의 존재와 트렌드를분석했습니다(그림 1). 1순위 키워드는 치료법에 있어 엑소좀에 대한 관심이 증가하고 있다는 것을 반영한 ‘표적’과 ‘생체지표’였습니다. 그중에서도 2017~2021년의 주요 개념을 분석한 결과, 지난 2년 간 "혈액-뇌 장벽"이라는 용어 사용이 급격히 증가했으며, 이는 엑소좀 치료 연구 분야의 가장 큰 주제임을 의미합니다. 1부에서 설명한 것처럼 엑소좀은 혈액-뇌 장벽을 통과할 수 있습니다. 고도로 선택적인 이 경계를 통과할 수 있다는 것은 엑소좀이 중요한 진단 도구로 활용될 뿐만 아니라 뇌에 치료 물질을 전달하는 수단으로써 외상성 뇌 손상 치료에도 도움이 될 수 있음을 의미합니다.

CAS 엑소좀 주제 그래픽 1

그림 1. 약물 전달과 진단 분야에서 엑소좀 활용과 관련된 과학 간행물의 주요 개념: (A) 치료 및 진단 분야에서 엑소좀 활용과 관련된 주요 개념을 연구하는 간행물 수. (B) 엑소좀 치료 응용 및 진단과 관련된 기사 내 주요 개념 트렌드(2017−2021년). 백분율은 각 주요 개념에 대한 연간 간행물 수를 반영해서 계산되며, 동일한 기간의 동일한 개념에 대한 총 간행물의 수로 정규화됩니다.

엑소좀 치료의 첫 번째 중요 단계: 엑소좀 분리와 정화

의료 분야에서 대규모로 엑소좀을 활용하기 위해서는 수많은 세포 파편과 관련 구성 요소에서 나노 크기의 이 입자를 정확하게 분리해야 합니다. 엑소좀 분리와 분석을 위해 정해진 한 가지 방법은 없으며 각각의 방법마다 고유의 장점과 단점이 있습니다(표 1 참조). 과거 초원심 분리가 가장 완벽한 방법으로 평가받은 적도 있었지만 최근에는 침전법과 미세 유체 방식이 잠재적 손상 없이 엑소좀을 정화할 수 있다는 점에서 보다 널리 사용되고 있습니다(그림 2). 분리 결과를 개선하기 위해 다음 여러 방법의 조합이 유망한 전략으로 제안되었습니다. 크기, 형태, 농도, 엑소좀 농축 마커 존재, 오염 물질 최소화 측면에서 순도 높은 엑소좀을 제공할 수 있습니다.

표 1. 주요 엑소좀 분리/정화 방법

방법 장점 단점
한외 여과
  • 경제적
  • 시간 효율성
  • 단순성
  • 엑소좀 손상 가능성
  • 막 폐색과 막힘
초원심 분리
  • 대량 샘플에 적합
  • 다른 마커 불필요
  • 경제적
  • 높은 장비 비용
  • 노동 집약적
  • 엑소좀 손상 가능성
  • 낮은 수율
면역 친화성
  • 대량 샘플에 적합
  • 단순성
  • 확장성
  • 엑소좀 무결성 손상 가능성
  • 고가의 시약
  • 비특정 결합
중합체 침전
  • 다양한 용도
  • 단순성과 빠른 속도
  • 엑소좀 변형 없음
  • 특이성 및 선별성 부족
  • 낮은 순도
  • 중합체 오염
크기배제 크로마토그래피
  • 생물학적 활동 유지
  • 사전 처리 없음
  • 높은 수율
  • 오염 가능성
  • 높은 장비 비용
미세 유체 공학
  • 높은 효율성
  • 빠른 샘플 처리
  • 높은 이식성
  • 자동화 및 통합 용이
  • 많은 양의 시재료
  • 적은 샘플 용량
CAS Exosome topic graphic 2

그림 2. 다양한 엑소좀 분리 방법에 있어 엑소좀 치료 응용 및 진단과 관련된 문서 수 동향(2014−2021년). (백분율은 각 분리 방법에 대한 연간 간행물 수를 반영해서 계산되며 동일한 기간의 동일한 분리 방법에 대한 총 간행물의 수로 정규화됩니다.)

엑소좀 치료와 약물 전달

엑소좀 추출 및 정화가 완료된 후 효과적인 약물 전달 시스템에 적용할 수 있는 방법은 무엇일까요? 다행히 엑소좀은 이 역할에 적합한 물질입니다. 합성 나노캐리어와 세포 매개 약물 전달 시스템의 장점을 모두 포용하면서 단점은 피할 수 있기 때문입니다. 이러한 특성을 이용하기 위한 첫 번째 단계가 '적재'로, 엑소좀과 치료 물질을 합치는 프로세스입니다. 이 목적으로 여러 가지 적재 방법을 사용할 수 있으며 각각 고유한 장점과 단점이 있습니다(표 2).

표 2. 적재 기법

Method Advantages Disadvantages
Cell transfection
  • Appropriate for nucleic acids and proteins
  • Ideal for large cargos
  • Cytotoxicity
  • Difficult purification
Direct co-incubation
  • Simple and convenient
  • Mild
  • Low loading efficiency
Sonication
  • High loading efficiency
  • Heat generation
  • Aggregation
Electroporation
  • High loading efficiency
  • Controllable
  • Aggregation
Freeze-thaw
  • Appropriate for nucleic acids and proteins
  • Mild and simple
  • Uncertain efficiency
  • Aggregation
Extrusion
  • High loading efficiency
  • Uniform size
  • Possible damage to exosome membrane

세포 간 메신저 형태의 엑소좀은 다양한 생리 과정에서 중요한 역할을 합니다. 또한 엑소좀은 분비된 조직과 세포에 따라 고유한 특성을 갖습니다. 예를 들어 종양 유발 엑소좀은 성장, 혈관형성, 침입, 전이와 같은 종양 특성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 그에 반해 중간엽 줄기세포(MSC)에서 분비된 엑소좀은 다른 치료법을 지원하고 보완하는 보조제로 사용하는 데 적합한 특성을 갖게 됩니다. 일례로 미국 기업인 Direct Biologics궤양성 대장염, 고형 장기 거부, COVID-19 등에 대한 임상 시험에서 MSC 유래 치료제인 ExoFlo의 유용성을 연구하고 있습니다.

엑소좀 치료의 잠재적 용도는 다양하지만 가장 많은 엑소좀 연구 분야는 암이며 그 다음은 염증, 감염 순입니다. 엑소좀 공여 세포와 대상 질병 간의 상관관계를 분석함으로써 명확한 패턴을 알 수 있습니다. 항원 제공 세포와 자연 살상 세포(NK 세포)는 암 연구에서 가장 널리 사용되는 세포입니다. 염증 연구에서는 대식 세포와 줄기 세포, 감염 연구에서는 항원 제공 세포와 T-세포가 가장 많이 사용됩니다(그림 3).

CAS Exosome topic graphic 3

그림 3. CAS 컨텐츠 컬렉션의 문서 수로 본 엑소좀 치료 및 진단 관련 연구에서 엑소좀 공여 세포와 대상 질병 간의 상관관계.

엑소좀 치료의 다양한 활용 분야

빠른 속도로 눈에 띄게 증가하고 있는 또 다른 엑소좀 응용 분야는 치료제로서의 용도입니다. 엑소좀 시스템은 다양한 질병의 치료 또는 진단 도구로 활용되고 있습니다. CAS 컨텐츠 컬렉션 분석 결과에 따르면 엑소좀 치료에 대한 간행물 중 암 관련 내용이 68%로 가장 많았습니다. 엑소좀 microRNA(miRNA)는 암 세포 증식, 이동, 침입을 억제하는 것으로 알려져 있습니다. 방광암, 결장암, 유방암 등 다양한 악성 세포 아형에서 이 접근법에 대한 연구가 진행되고 있습니다. 엑소좀은 신경변경, 염증성, 심혈관 질환에도 막대한 치료 잠재력을 기대할 수 있습니다(표 4).

Exosome blog topic pie chart

그림 4. 표적 질환에 대한 엑소좀 치료 및 진단 응용과 관련된 CAS 컨텐츠 컬렉션의 간행물 분포 현황.

엑소좀은 암과 같은 질병의 발생에 관여하므로 성공적인 치료 전략을 위해서는 증가한 엑소좀 생산과 순환을 정상 수준으로 낮추어 질병 진행을 에방해야 합니다. 현재 엑소좀 치료 경로를 생산, 분비, 흡수 등 다양한 단계에서 조절하는 데 따른 영향에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 암 세포에서 엑소좀의 물리적 제거에 대한 연구도 진행되고 있습니다. 이러한 연구는 물리적 제거로 종양 진행에 기여하는 암 세포 간의 신호 전달을 방해할 수 있다는 가설을 전제로 합니다.

엑소좀의 진단 용도

임상 용도의 타당성을 확보하기 위해서는 생체지표가 여러 가지 특성을 가지고 있어야 합니다. 즉, 접근이 용이하고 비용 효과적이어야 하며 구체적이고 감도가 우수하고 측정 가능해야 합니다. 엑소좀은 그 고유한 특성으로 인해 이미 이러한 조건을 충족합니다. 특히, 진단 감도와 정확성 측면에서 기존의 혈청 기반 생체지표보다 우수합니다.

엑소좀을 활용한 치료 방법 연구는 여러 가지 장점이 있습니다. 알츠하이머병에서 볼 수 있듯이 먼저 세포의 병리 상태가 엑소좀 내용물에 큰 영향을 주므로 이 세포외 소포 연구로 조직의 질병 상태를 알 수 있습니다. 또한, 지질 이중층 구조로 극한의 종양 미세 환경에서도 분해되지 않는 본질적으로 안정적인 물질입니다. 실용성 측면에서는 소변, 혈액, 눈물과 같은 생물학적 유체에서 엑소좀은 쉽고 비침습적인 방식으로 분리될 수 있습니다. 추출된 엑소좀은 냉동, 동결 건조 또는 분무 건조 방식으로 보관할 수 있습니다. 마지막으로 기존의 많은 혈청 생체지표와 달리, 엑소좀은 혈액-뇌 장벽을 통과할 수 있어 다른 방법으로는 얻기 어려운 뇌 세포에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 현재 여러 후보 엑소좀 단백질 생체지표(표 3)와 핵산 생체지표(표 4)에 대한 연구가 진행 중입니다. 더 많은 생체지표 목록을 보려면 CAS의 ACS 간행물, 약물 전달 및 진단 분야의 기대주로 떠오르고 있는 천연 지질 나노 입자, 엑소좀을 참조하십시오.

표 3. 임상 진단 목적의 엑소좀 단백질 예

단백질 질병 체액
CD81 만성 C형 간염 혈장
CD63, 카베올린-1, TYRP2, VLA-4, HSP70, HSP90 흑색종 혈장
표피 성장 인자 수용체 VIII 교모세포종 혈장
Survivin 전립선암 혈장
c-src 형질 세포 질환 혈장
NY-ESO-1 폐암 혈장
PKG1, RALGAPA2, NFX1, TJP2 유방암 혈장
글리피칸-1 췌장암 혈청
글리피칸-1 결장암 혈장
AMPN VNN1, PIGR 담도암 혈청
CD24, EpCAM, CA-125  난소암 혈장
CD91 폐암 혈청
페투인-A, ATF 3 급성 신부전 소변
CD26, CD81, S1c3A1, CD10 간손상 소변
NKCC2 바터 증후군 유형 1 소변
EGF,  Gs의 α 아단위, 레시시틴, 레티노산 유도 단백질 3 방광암 소변
A2M, HPA, MUC5B, LGALS3BP, IGHA1, PIP, PKM1/M2, GAPDH 편평 세포 암종 타액
LMP1, 갈렉틴-9, BARF-1 비인두암 혈액, 타액
CALML5, KRT6A, S100P 안구건조증 눈물

 

표 4. 암 치료 및 진단 시약으로서의 엑소좀 miRNA

miRNA 암 유형 용도
miR-378 비소세포 폐암 예후
miR-423, miR-424, let7-i, miR-660 유방암 진단
miR-423-3p 전립선암 예후, 거세 저항성
miR-30a 경구 편평 세포 암종
치료, 시스플라틴 민감도
miR-106b-3p 결장암 치료

생체지표로서 엑소좀에 대한 관심은 엑소좀 치료 및 진단 분야와 관련된 문서 수의 광범위한 증가로 알 수 있으며 CAS 컨텐츠 컬렉션의 분석 결과에도 잘 나타나 있습니다(그림 5). 언뜻 보면 치료법 관련 문서가 가장 많은 것처럼 보이지만 치료와 진단 분야 모두 전반적으로 동일한 비율로 문서가 분포되어 있습니다.

CAS Exosome topic graphic 4

그림 5. 엑소좀의 진단 용도와 치료 용도 비교: (A) 엑소좀의 진단 용도와 치료 용도와 관련된 문서 수 비교; 삽입: 엑소좀의 진단 용도 및 치료 용도와 관련된 문서 수의 연간 증가 현황. (B) 엑소좀의 진단 및 치료 용도와 관련된 역할 지표 기준 문서 수 비교(THU: 치료, DGN: 진단).

현재 엑소좀 치료 연구의 전망이 밝은 것은 사실이지만 많은 연구가 아직 임상 전 단계입니다. 이런 상황에서 치료 및 진단 분야에서 엑소좀을 완벽하게 활용할 수 있는 시기는 언제쯤이 될까요? 앞으로 해결해야 할 과제와 장애물은 무엇일까요? 이 블로그 시리즈의 마지막 글에서는 엑소좀 연구의 대표 주자를 소개하며 이 흥미롭고 역동적인 분야에서 주요 연구 이니셔티브에 대한 최신 동향을 안내합니다. CAS의 엑소좀 통찰력 보고서에서 더 자세히 알아볼 수 있습니다.

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