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| ▲ 서울아산병원 아산생명과학연구원 세포유전공학교실 신동명, 융합연구지원센터 김상엽, 제주대학교 약학대학 정의만 교수 (사진= 서울아산병원 제공) |
[mdtoday=김미경 기자] 알레르기성 천식은 기도 염증과 부종으로 인해 호흡곤란과 심한 기침을 유발하며, 현재까지 명확한 치료법이 없어 환자들의 삶의 질 저하를 야기하고 있다. 이러한 가운데 국내 연구진이 멜라토닌으로 처리한 줄기세포가 천식 치료에 효과적일 수 있다는 동물실험 결과를 발표했다.
서울아산병원 아산생명과학연구원 신동명 교수와 제주대학교 약학대학 정의만 교수 연구팀은 중간엽줄기세포에 멜라토닌을 처리(프라이밍)한 후 천식 유발 쥐에게 투여하는 실험을 진행했다. 그 결과, 실험 쥐의 폐에서 염증을 유발하는 세포 수가 현저히 감소하는 것을 확인했다.
줄기세포 프라이밍은 특정 물질에 줄기세포를 미리 노출시켜 그 기능을 강화하는 기술이다. 멜라토닌 프라이밍 줄기세포는 항산화 및 항염증 효과가 있는 멜라토닌 용액에 줄기세포를 처리하여 기능이 향상된 상태를 의미한다.
이번 연구는 멜라토닌이 중간엽줄기세포의 항염증 및 면역 조절 기능을 어떻게 강화하는지에 대한 기전을 밝히고, 멜라토닌 프라이밍 중간엽줄기세포가 실제 천식 동물 모델에서 염증 감소 효과를 보인다는 사실을 처음으로 입증했다는 점에서 학술적 의미가 크다. 연구 결과는 화학공학 분야 상위 3% 학술지인 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)' 온라인판에 게재되었다.
연구팀은 멜라토닌이 중간엽줄기세포의 기능을 강화하는 생체 내(in vivo) 메커니즘을 규명하기 위해, 특히 세포 손상 및 사멸을 유발하는 페롭토시스 스트레스로부터 줄기세포를 보호하는 과정을 집중적으로 분석했다. 이를 위해 체내 대표적인 항산화 물질인 글루타치온의 동태를 모니터링했다.
멜라토닌이 글루타치온 동태를 개선하는 기전을 밝히기 위해, 연구팀은 세포 보호 물질인 글루타치온 생성을 촉진하는 신호 전달 회로로 알려진 CREB1-NRF2 경로에 주목했다. 포스터 공명 에너지 전달 기술(FRET)을 활용한 실시간 단백질 활성 관찰 결과, 멜라토닌 프라이밍 줄기세포에서 CREB1의 활성을 조절하는 PKA(Protein Kinase A) 단백질이 더 활성화되었으며, 이는 CREB1-NRF2 경로의 활성화로 이어져 글루타치온 유지 능력이 증가함을 시사했다.
또한, 전사체 분석을 통해 JAK-STAT 경로의 활성화가 멜라토닌의 또 다른 주요 작용 기전임을 밝혀냈다. 이는 면역 관문에 중요한 단백질인 PD-L1의 증가로 이어져, 멜라토닌 프라이밍 줄기세포의 면역 조절 기능 향상에 기여하는 것으로 나타났다.
결론적으로 멜라토닌은 CREB1-NRF2 경로를 활성화하여 세포 보호, 항산화, 글루타치온 유지 기능을 강화하는 동시에, JAK-STAT 경로를 활성화하여 줄기세포의 면역 반응 및 조절 능력을 향상시키는 것으로 분석되었다.
한편, 공동 연구자인 정근홍 교수는 머신러닝 기술을 활용하여 기관지폐포 세척액 내 면역세포 계수 과정을 자동화함으로써, 연구자 간 편차를 줄이고 연구 효율성을 높이는 데 기여했다.
신동명 교수는 "이번 연구는 멜라토닌의 항산화 효과를 넘어, 국제 약전에 등재된 안전한 물질인 중간엽줄기세포의 기능을 가장 효과적으로 향상시키는 후보 물질로서 멜라토닌을 선별했다는 점에서 의의가 있다"고 밝혔다. 또한, "실시간 산화환원 지표와 FRET 기술을 활용하여 줄기세포 치료 효능을 정량적으로 예측할 수 있는 기반을 마련했으며, 이는 임상 적용 가능한 고성능 줄기세포 치료제 개발의 실마리를 제공할 것"이라고 덧붙였다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 스팀연구사업, 범부처재생의료기술개발사업의 지원으로 수행되었다.
메디컬투데이 김미경 기자([email protected])
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