I. 제목
과제 제목은 허혈에 의한 뇌혈관과 뇌조직 손상 및 재생에 관한 연구 (Study on the degeneration and regeneration of cerebral blood vessels and brain tissue in ischemic insults)이며, 세부과제 제목은 "허혈에 의한 뇌세포 사멸에서 중추 및 말초 면역계의 역할에 관한 연구", "뇌졸중의 신경보호물질 및 성체신경원 생성조절 물질에 대한 연구", "한국인 뇌혈관 질환의 특성 및 유전적 병인에 관한 연구"임.
II. 연구개발의 목적 및 필요성
1. 기술적 측면: 뇌졸중은 뇌의 혈행의 차단에 의하여 유발되며 조직의 손상, 염증 및 세포사를 유발함. 이후 순차적으로 발생하는 에너지결핍, 흥분성 독성, 산화적 손상, 염증성 반응 및 apoptotsis에 의한 사망 등의 세포손상 및 사멸 기전을 이해하고 세포보호기전의 연구를 위하여 다음과 같은 여러 관점에서의 연구의 필요성이 제시됨
첫째, 세포손상 및 세포사멸기전의 이해를 신경세포를 중심으로 접근하는 것보다는 신경세포와 그 주위의 뇌 혈관세포와 성상세포, 미세아교 등의 아교세포로 구성된 neurovascular unit 차원으로 확장할 필요성이 대두됨 (Stroke Progress Review Group, 2002). 뇌졸중 병태생리의 기전을 규명하기 위하여 신경세포에 초점을 맞추는 것보다, 뇌조직은 다양한 구성원들(neurovascular unit: 신경세포, 신경아교세포, 혈관세포 등)로 구성되어 있으므로 이 구성요소간의 역동적인 상호작용에 의한 뇌졸중 병태생리의 이해를 통한 뇌졸중 치료전략 확립이 시급함. 둘째, 세포손상에 대한 내성 (tolerance) 유도 관련 기전을 규명하고 이를 치료에 적용하는 전략이 필요함 셋째, 성채신경원 생성의 조절 기전을 이해하고, 이를 뇌졸중의 치료에 응용하는 전략
2. 경제·산업적 측면: 뇌졸중과 같은 뇌혈관성 질환에 의한 사망률은 우리나라에서는 1위, 선진 산업국가에서는 3위일 뿐만 아니라, 뇌신경세포의 손상으로 유발된 뇌혈관성 질환의 후유증으로 인한 장애는 장기간의 치료 및 재활을 요구함. 따라서 뇌졸중에 대한 효과적인 연구를 통하여 뇌졸중의 진단, 치료, 재활의 새로운 기술 개발은 개인의 건강뿐만 아니라 경제·산업적 측면에서 공동의 이익을 추구하는데 크게 기여 할 것임.
3. 사회·문화적 측면: 뇌졸중은 알즈하이머병, 파키슨씨병, 헌팅톤병 등과 함께 대표적인 노인성 신경계 질환으로서 미국을 비롯한 서방 선진국에서 심장질환과 악성종양에 이어서 세번째 사망원인에 해당함. 우리나라 통계청이 1997년에 발표한 사망원인 통계연보에 의하면 뇌졸중에 의한 사망률이 인구 십만명당 73.5 명으로 뇌졸중이 국내에서는 가장 높은 사망원인에 속함. 따라서 뇌졸중은 환자 본인과 가족에게 엄청난 정신적, 신체적 고통을 주며 국가적으로는 생산적 인명 손실이라는 면에서 치명적이라 할 수 있음. 그러므로 이러한 손실을 최소화할 수 있는 원천 기술의 개발은 선진복지 국가를 지향하는 우리나라의 국가적, 사회적 사명이라 할 수 있음.
III. 연구개발의 내용 및 범위
(1) 공동연구자1 (김원기)
(가) 허혈 및 출혈에 의한 뇌손상과 염증반응의 역할 연구
(나) 허혈에 의한 특이적 발현 단백질 반응 및 염증반응의 상관관계 규명
(다) 뇌졸중에 의한 뇌조직 손상 기전에 근거한 신경세포 보호제 발굴
: (LMT-000, WCN-801, trans-caryophyllene)
(2) 공동연구자2 (김종성)
(가) 뇌졸중의 발병기전 연구
(나) 한국인 뇌졸중 환자의 특성 규명
(다) 뇌졸중 치료법 확립
(라) 뇌졸중 환자의 진단법 개발
(3) 공동연구자3 (최수영)
(가) 간질발생에서 성상세포 및 소교세포의 역할규명
(나) 간질발생시 신경세포/성상세포 사멸 및 내피세포 혈관부종 형성기전 규명
(다) 단백질 침투기술을 이용한 뇌질환 치료법 연구
(4) 공동연구자4 (안지인)
(가) 성숙 신경세포에서 apoptosis 기전과 신경영양인자에 의한 apoptosis 저항 기전연구 : PRS3
(나) 성숙한 신경세포에서 사멸 유도 인자의 기능제어 모색
(다) 정상해마신경세포, 뇌암마우스모델, 뇌종양환자 샘플에서 세포사멸 유도인자의 효과 검증: PRS3
(라) Glioblastoma와 astrocytoma 환자조직에서 사멸인자의 발현과 생존 상관관계 검증
(마) 정상, 뇌암마우스모델, 뇌종양환자 뇌조직에서 세포사멸 억제인자의 효과 검증: p48 Ebp1, B23
(5) 공동연구자5 (원무호)
(가) 뇌졸중/간질발생에서 성상세포 및 소교세포의 역할규명
(나) 허혈성 뇌졸중 제어후보물질 도출 및 작용기전 분석
(다) 합성화합물의 허혈성 신경세포사멸 보호효능 검색
(라) 합성화합물의 내인성 신경줄기세포의 증식 및 분화에 미치는 영향 확인
IV. 연구개발결과
1. 허혈에 의한 뇌조직 손상에 의한 염증세포의 시간 의존적으로 활성이 유도되며, 이것은 뇌손상조직에 영향을 미친다. 즉 뇌손상부위에서 분비되는 염증성 싸이토카인은 말초조직으로부터의 염증세포의 유입을 과도하게 증가시켜 허혈성 뇌손상을 크게 증가시키는 것을 규명하였으며, 실험적으로 프로싸이토카인 IL-1b가 허혈성 뇌손상시 신경독성을 가중시켰다. 이에 반해 염증과정에서 생성되는 TGF-b는 과도한 염증반응에 의한 자사멸로부터 자기보호작용 역할을 하는 것을 증명하였다. 또한 허혈에 의한 뇌조직 손상에서 특이적으로 발현되는 유전자/ 단백질 (HO-1, iNOS 등)을 규명하고 역할에 대하여 연구하였다. 이러한 연구결과는 허혈손상에 의한 염증반응의 중요성을 시사하며, 염증반응의 제어를 통한 치료제 개발의 필요성을 시사한다. 이에 따라 본 연구진은 허혈 및 출혈성 뇌졸중 실험모델에서 효능있는 신규 세포보호제 WCN-000, LMT-000 등을 발굴하였으며 이 물질들의 세포보호 기전을 규명하였다.
2. 뇌졸중을 일으킬 수 있는 위험인자 및 허혈성 뇌졸중 아형에 따른 발병기전을 연구하였다 (급성 뇌경색환자의 신경학적 결손 및 미세출혈의 현상, 허혈성 뇌경색에 의한 뇌혈관 박리 발병기전, Ach영역 뇌경색 환자의 특성 연구, 일과성 허혈발작 기전 연구, 고혈압 및 모아모아병에 따른 뇌출혈의 차이 연구 등). 또한 한국인에게서 잘 나타날 수 있는 뇌졸중 특성을 조사하고, 한국인 뇌졸중 환자의 혈액학적 유전적 특성 (혈액응고상태인자 등)을 규명하였으며, 뇌졸중 발병 이후 나타날 수 있는 우울증, 분노, 피로감, 통증 등과 관계되는 인자 및 유전적 병인을 연구하였다. 이러한 연구는 뇌졸중의 다양한 발병기전 및 한국인의 특성에 따른 적절한 뇌졸중 치료방향을 제시할 수 있는 근거를 마련하게 해주었다. 임상적으로 본 연구진은 혈전용해 치료시, 뇌졸중 진단방법인 MRI 및 CT의 효과를 비교분석하고, 두내강내 혈관질환 진단시 7T MRI의 유용성을 증명하였다. 또한 뇌졸중발병 이후 혈전 용해치료법의 출혈부작용 연구 및 스탠팅시술 등의 뇌졸중에 대한 적절한 치료법을 제시하였다.
3. 간질발생의 신경세포 흥분에 성상세포와 소교세포의 역할을 규명하여, 신경세포-교세포간의 상호간섭에 의한 간질발생/악화 기전을 확인하였다. 간질발생시 성상세포의 에너지 대사 변화, 소교세포의 염증반응 및 GABA, PLP 및 SSAR 대사조절 효소의 역할을 규명하여 성상세포의 신경보호 역할을 규명하였다. 또한 간질발생 시 신경세포, 성상세포 사멸 및 내피세포의 혈관 부종에 관계하여 NF-kB의 인산화가 미치는 영향을 연구, 분석하였으며, 간질 특이적 단백질(바이오마커)을 사용해 간질에서 성상세포의 신경보호 역할을 규명하였다. 특히 본 연구진 단백질 침투기술을 이용하여, 뇌허혈, 파킨슨병 등의 동물모델에 융합제조된 단백질을 주사하여 신경보호효과를 확인하였다 (Tat-DJ-1 및 PEP-1-MT-III, Frataxin 및 p18 등). 이러한 뇌질환 치료법은 궁극적으로는 특정 뇌질환의 병인기전을 규명하고, 뇌질환 치료제 개발을 확립하는데 기여할 것이다.
4. 성숙한 신경세포는 그들의 재생 능력결핍으로 매우 제한적인 세포사멸만을 허용하면서 지속적인 생존/보존을 가능하게 한다. 따라서 본 연구진은 성숙한 신경세포의 세포사멸 및 자사멸 억제기전을 연구 분석하였다. 성숙신경세포의 자사멸 인자인 RPS3은 DNA손상에 의해 발현이 증가하고, 이에 따라 성숙한 신경세포의 자사멸을 유도하였으며, 뇌종양동물모델 및 뇌종양 환자샘플에서 PRS3의 발현과 성숙한 신경세포 자사멸과의 상관관계를 보였주었다. 또한 이것은 Akt인산화에 의한 RPS3의 핵내 누적과 연관성을 증명하였다. 또한 성숙한 신경세포 자사멸 억제인자로서의 p48 Ebp1 및 B23의 역할을 규명하였다. 이러한 실험적으로 신경세포 사멸유도 및 억제인자를 직접 주사하여, 선택적으로 병변을 제거할 수 있는 방법은 앞으로 치료제 개발에 기여할 것이다.
5. 기존 효능 물질을 모핵으로 하여, 새로운 물질을 제작하였으며 (HBU-39, LA/DA, 데커시놀 유도체), 이를 이용하여 허혈성 뇌졸중에 의한 신경세포 사멸 억제 및 내인성 신경줄기세포 활성화 연구를 하였다. 허혈성 뇌졸중 모델에서 연령에 따른 염증성 싸이토카인 및 신경성장인자 발현의 차이를 연구하였고, 내인성 신경줄기세포의 증식/분화 차이를 연구하였다. 아스피린-데커시놀 유도체는 뇌허혈에 대한 신경세포 보호효과를 나타내었으며, HBU-39와 LA/DA 합성화합물은 scopolamine의 투여에 의한 세포분열 억제 및 신경모세포의 감소를 억제하였다.
V. 연구개발결과의 활용계획
-뇌허혈에서 염증세포 및 성상세포의 활성화에 의한 뇌손상에 미치는 영향 연구를 통해 항염증작용 약물개발의 중요성을 제시하였다. 앞으로 뇌허혈에 대한 기초적인 연구 뿐 아니라, 이와 연계하여 지금까지 발굴된 뇌손상 후보물질의 최적화 및 산업화를 위해 노력할 것이다. 그러기 위해 임상연구 및 제약회사와의 긴밀한 연구관계를 지속할 것이다.
-항염증이나 기타 세포보호제는 뇌졸중 외에도 다양한 퇴행성 염증질환 (예, 파킨슨씨병, 알쯔하이머병, 관절염, 등)에 적용 가능하기 때문에 개발되는 약물의 적응증 확대를 위해 노력할 생각이다.
-임상적 연구 결과는 뇌졸중의 기전 이해 및 치료, 예방 전략으로 사용할 수 있다. 예로 혈전용해 치료에 대한 연구는 실제적으로 혈전용해 치료 환자의 치료 결정에 도움이 된다. 재발 및 악화에 관여하는 인자, 예로 초기 응고상태의 증가, 영양상태 결핍 등이 있다.
-한국인에 특이한 두 개강 내 동맥경화 및 이로 인한 발병기전을 규명하여 향후 예방 전략으로 사용할 수 있다. 뇌졸중 환자는 warfarin을 사용하는 경우 출혈 부작용이 없이 적절한 사용 시간이 매우 중요한데 본 연구에서 밝힌 warfarin gene에 대한 실용화 연구를 계속하여 쉽고 빠르게 warfarin 의 용량을 결정하는 방법을 개발할 예정이다.
-앞으로 뇌허혈에 대한 한국인 특성에 맞는 진단과 치료법개발을 위한 연구가 계속되야 할 것이다. 즉, 두개강내 혈관질환의 혈류역학적 차이에 대한 규명, 뇌졸중 아형에 따른 바이오마커 차이에 대한 종적인 변화연구가 필요하며, 한국인에게 맞는 혈전용해약제 최적용량 규명에 대한 임상연구와 허혈발작 환자의 예후를 예측할 수 있는 모델개발이 필요하다. 뿐만 아니라, 대규모 임상연구를 통해 뇌졸중 환자의 우울, 감정조절 장애를 예측케 하는 유전적 인자를 규명한다면, 뇌졸중 후 급성기치료를 통해 예방적 효과를 높일 수 있을 것으로 예상된다.
-기존 간질병 치료제는 극히 제한적으로 독성과 부작용을 갖고 있다. 그러므로 적합한 새로운 간질치료제 개발을 위해 간질발생의 특이성 및 기전에 대한 보다 명확한 규명이 필요할 것이다. 본 연구를 통해 제시한 단백질 치료법을 이용한 연구는 간질 뿐 아니라 파킨슨병, 뇌허혈 등 다양한 뇌질환 치료에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
-신규 발굴한 사멸유도인자 RPS3이 뇌종양 성장억제에 기여할 수 있음을 증명하여, 실제 임상적용 가능성을 제시하였다. 앞으로 RPS3를 통해 p48의 종양발현특성을 억제할 수 있는지 그 가능성을 실험할 예정이다. 또한 뉴런의 생존신호전달물질인 B23을 이용해 사멸 신호전달 체계인 GAPDH/SIAH 전달계를 교란/억제하는 기전을 규명한바, 향후 뉴런의 생존과 사멸 사이의 결정적 기작에 대한 추가 연구를 계획하고 있다. 이것은 뉴런의 생존과 사멸사이가 어떤 기작을 통해 균형을 유지하는지에 대한 중요한 발견이 될 것이다.
-뇌연구는 미래 신성장동력분야의 하나로 미국, EU, 일본 등 주요 선진국들을 중심으로 그 중요성이 강조되고 있으며, 나노·바이오·정보기술·인지기술을 포함한 뇌중심 융합기술을 선보이고 있다. 이러한 급격한 변화에 적응하기 위해서는 다분야 전문가들의 협력과 공동연구가 필요하다.