퇴행성골관절염의원인과제어기술개발의전망 김진홍 광주과학기술원세포다이나믹스연구센터리서치펠로우 E-mail: jinhkim@gist.ac.kr 전장수 광주과학기술원생명과학부 E-mail: jschun@gist.ac.kr 서론퇴행성관절염 ( 골관절염, osteoarthritis) 은인간에게서발견되는가장대표적인근골격계질환으로고령화와비만인구의증가로인해그유병률이꾸준히증가하고있다. 하지만현재까지도퇴행성관절염의병인기전에기반을둔근본적인치료제는개발되지못한실정이며, 그에따른사회경제적비용은막대하다할수있다. 본글에서는퇴행성관절염의분자생물학적기전과이에기초한퇴행성관절염의근본적치료방안에대해논의하고자한다. 관절은두개이상의뼈를이어주는조직체로서신체의움직임을조절하며, 관절을둘러싸는연골은관절운동을매끄럽게하는윤활작용과골격에가해지는물리적힘을완충시키는역할을한다. 퇴행성관절염은이와같은연골조직에점진적인손상과퇴행이일어나고연골하골의경화및구조적변화를수반하는질환이다. 이는관절의움직임을제약하고관절내국소적통증을수반하게된다. 현재노령화의 급속한진행과함께퇴행성관절염환자의수가현저히증가하고있는추세이다. 정부에서수행한 제 5기국민건강영양조사 에따르면 50대이상의성인 3명당 1명꼴로 (37.8%) 관절염을호소하고있으며, 그발병률은나이가들수록높아진다고보고하고있다 [1]. 또한퇴행성관절염의진단및치료제의세계시장규모는 2013년 46조원으로추산되며, 연평균복합성장률 3.7% 로 2019년에는 60조원에달할것으로예상하고있다. 이러한수치를쉽게해석하자면유럽에서는매 1분 30초당한명꼴로, 미국에서는일년에약 50만건이상의인공관절전치환술이행해지고있다 [2]. 퇴행성관절염을제어하기위한많은연구에도불구하고, 아직질병의병리적원인을기반으로한근본적인치료법은개발되지못하고있으며현재까지수술적방법외에비스테로이드성진통소염제 (NSAID), 질병완화골관절염치료제 (DMOADs) 등항염증및통증완화를위한약물요법이주를이룬다. 또한히알루론산, 글루코사민, 콘드로이틴과같은연골보호제들이개발되어시판되고있으나, 연골보호및재 01 분자세포생물학뉴스레터
molecular and cellular Biology Newsletter 생유도등에는그치료효과가확립되지않았다. 따라서퇴행성관절염의근본적이고직접적인제어를위한연골퇴행의분자적조절메커니즘의규명이시급한실정이다. 본글에서는퇴행성관절염의분자생물학적기전에대해설명하고이를표적으로하는근본적치료가능성및방안에대해논의하겠다. 본론 1.1 퇴행성관절염은노화나유전적요인과같은생득적요인또는비만및외상등의기계적요인에의해유발되는것으로알려져있다 [3]. 이와같은요인들은연골세포내의다양한생화학적신호전달체계에영향을미치게되며, 세포내이화및동화작용간의불균형을초래하게된다. 특히퇴행성연골세포는염증성사이토카인을분비하고이와함께다양한종류의기질분해효소단백질 (MMP와 ADAMTS) 의발현을증가시킨다. 활성화된기질분해효소단백질은연골세포를둘러싸고있는세포외기질을직접적으로분해함으로써연골조직의점진적퇴행을유도한다. 분자생물학및유전학의발전과더불어연골퇴행에특이적으로작용하는연골기질분해효소들의발굴과연구가활발히진행되어왔으며, 이들중대표적연골세포외기질인 aggrecan과제 2형콜라젠 (type II collagen) 의분해에있어 ADAMTS5[4] 와 MMP13[5] 이퇴행성관절염의진행에결정적인역할을한다는사실이규명된바있다. 하지만, 이들을표적으로하는다양한저분자화합물등이퇴행성관절염의진행제어및치료목적으로개발되었음에도불구하고그치료효과는기대에미치지못하고있는실정이다. 다. 본연구진은 Expressed Sequence Tag(EST) 데이터베이스의분석을통해신규연골퇴행조절인자의후보군을선별하였고, 연골퇴행을유발하는다양한염증성사이토카인과기계적자극에의해공통적으로 HIF-2α 전사인자의발현이증가한다는사실을밝혔다 [6]. 이 HIF-2α 전사인자의연골세포내과발현은 MMP3, MMP9, MMP12, MMP13, ADAMTS4를포함한다양한연골기질분해효소의발현을유도하였으며, 이들유전자의프로모터 (promoter) 를분석한결과모두 HIF-2α 전사인자가결합할수있는 Hypoxia Responsive Element(HRE) 를다수포함한것을확인하였다. 또한이서열의변이를통해위유전자들의전사가일어나지않음을확인함으로써 HIF-2α 전사인자가연골퇴행을일으키는연골기질분해효소들의전사를직접적으로조절하는 master regulator로작용함을규명하였다 ( 그림 1). 실제마우스동물모델을통해 HIF-2α의연골조직내과발현이연골퇴행인자들의발현증가와함께퇴행성관절염을심하게유발함을확인하였고, 반면 HIF-2α 유전자 (Epas1) 가결손된마우스에서는반월판연골의절개또는관절강내로의 1.2 : HIF-2 연골기질분해효소를표적으로하는퇴행성관절염치료제의한계성은 MMP와 ADAMTS family 단백질의다양성과이들이연골퇴행과정에복합적으로작용한다는사실에서기인한다. 따라서이들연골기질분해효소의발현과활성을총괄하는새로운조절인자의발굴의중요성이대두되었 1. 여러연골퇴행유발인자에의해공통적으로유도되는 HIF-2a 전사인자는연골기질분해효소의발현을총괄하는새로운연골퇴행조절인자로서퇴행성관절염치료의표적을제시한다 웹진 2014 ㅣ 09 02
collagenase의주입으로인해유도된퇴행성관절염의진행이크게저해됨을확인하였다. 특히 HIF-2α와구조적유사성과상호보완적인역할이알려진 HIF-1α는오히려연골기질합성을향상시키고방어적인역할을가짐을고려할때, 연골퇴행에있어 HIF-2α의특이적기능은큰의미가있다고사료된다. 이처럼 HIF-2α는퇴행성관절염을일으키는다양한인자들을상위단계에서총괄적으로조절하는퇴행성관절염제어및치료의합리적인표적이라할수있다. 실제 HIF-2 α 만을선별적으로저해할수있는저분자화합물이다양한화학생물학적접근을통해발굴되고있으며 [7, 8], 궁극적으로이들약제를이용한연골세포내 HIF-2α의활성조절은퇴행성관절염을제어할수있는치료제로써의가능성을제시한다. 한편, HIF-2α를표적으로하는퇴행성관절염치료제의개발에는다음과같은추가적인사항들이고려되어야할것이다. HIF-2α의경우신경조직을포함한다양한장기에서필수적이고보호적인역할을하는것으로알려져있으므로약제의전신성 (systemic) 투여방법은제외되어야하며, 관절강내주입 (intra-articular injection) 과같은국소적인약물투여방법이적용되어야할것이다. 또한핵내에서주요역할을수행하는전사인자와같은경우약물의표적으로는그효율성이나특이성에제한이있는만큼이를보완할수있는방법의개발이요구된다. 1.3 : -ZIP8-MTF1 axis 연골퇴행을직접적으로유발하는모든 MMP및 ADAMTS family와같은연골기질분해효소는구조적구성인자로서아연이온을필요로하며이들단백질의성숙과정및활성화에필수적인역할을한다고알려져있다. 이같은사실을바탕으로본연구진은연골세포내부의아연이온조절과그에반응하는분자적기전에주목하였고, 퇴행성관절염환자및동물모델의연골조직을분석한결과손상된연골조직의세포에서아연이온의농도가비정상적으로높아져있음을확인할수있었다 [9]. 또한, 이들퇴행성연골세포는세포의이중막에위치해아연이온의유입을돕는 ZIP8이라는수송 단백질을특이적으로높게발현하고있다는점을확인하였고이러한 ZIP8의발현조절을통해세포내로의아연이온유입을증가시킨다는점을규명하였다. ZIP8의발현증가에따른아연이온의연골세포내유입은다양한연골기질분해효소들 (MMP3, MMP9, MMP12, MMP13, ADAMTS5) 의발현을크게증가시켰고, 반대로 ZIP8의발현을억제하거나저분자화합물을이용해세포내아연유입을저해하면이러한연골기질분해효소의발현이효과적으로차단됨을알수있었다. 마우스동물모델을이용한연구에서또한 ZIP8의연골조직내과발현이연골세포내부로의아연유입과연골퇴행인자들의발현을증가시키고, 결과적으로기계적자극또는노화에의한퇴행성관절염이심하게유발되었다. ZIP8이연골특이적으로결손된마우스에서는연골세포내로의아연유입과퇴행성관절염의진행이효과적으로제어됨을규명하였다. ZIP8에의한연골세포내아연유입은메탈의존성전사인자 MTF1의핵내이동과전사활성화를가져왔다. 활성화된 MTF1 전사인자는연골기질분해효소들의전사를직접적으로조절함으로써아연이온유입에의한연골기질분해효소발현에직접적으로관여함을증명하였다. MTF1을마우스의관절에인위적으로과발현시키면연골기질분해효소들의발현이증가하게되고퇴행성관절염이심하게유발되지만, MTF1이결손된마우스에서는 ZIP8의과발현또는기계적자극등에의한퇴행성관절염이효과적으로제어되었다. 아연은생명현상및유지에도필수적인무기이온이며주로식이를통해체내로섭취된다. 마우스에다양한양의아연이포함된식단을제공한결과, 높은양의아연을섭취한개체에서퇴행성관절염의진행속도가크게증가하였다. 마찬가지로아연이온 (ZnCl 2 ) 을마우스의복강에주입함으로써체내의아연을증가시킨실험군에서반월판절개술에의한퇴행성관절염의진행속도가대조군에비해서크게증가했다. 이로써아연이온이퇴행성관절염을일으키는근본적인매개물질로작용함을다시한번확인하게되었다. 이와같이퇴행성관절염의연골세포에서 ZIP8 아연수송단백질은세포내아연이온의농도를높임으로써연골퇴행 03 분자세포생물학뉴스레터
molecular and cellular Biology Newsletter 결론 2. 퇴행성연골세포는세포의이중막에위치하는 ZIP8 아연수송단백질을특이적으로높게발현하고이를통해세포내로의아연이온유입을증가시킨다. 유입된아연이온은 MTF1 전사인자와결합해연골기질분해효소의전사를활성하고연골퇴행을유발한다. 을야기시키는일련의분자적신호전달체계를활성화시킨다 ( 그림 2). 따라서연골기질분해효소의발현을조절하는필수적인매개물질인아연이온을표적으로하는퇴행성관절염의치료법개발을고려해볼수있는데, 실제세포투과성아연킬레이터의무릎관절강내주입은마우스모델에서의연골퇴행을크게저해시켜주었다. 그럼에도불구하고아연이온이세포대사및항상성유지에미치는영향을고려하였을때아연킬레이터를이용한연골치료제개발에는여러주의사항들이요구되어야할것이다. 반면 ZIP8 단백질은퇴행성관절염에서특이적으로발현되며약제의접근이용이한세포막내제단백질이므로퇴행성관절염치료제의합리적인표적임을제시한다. 이외에도 MTF1의활성을직 / 간접적으로저해할수있는약제를활용하여연골세포내의아연이온증가에따른연골퇴행신호전달체계를제어하는방안을생각해볼수도있다. 퇴행성관절염의분자생물학적연구는단순히연골이기계적으로닳아없어지는질환이라생각되었던퇴행성관절염을복합적인분자적메커니즘에의해일어나는질병으로재해석하였다. 이와같은퇴행성관절염의분자생물학적병인기전의확립은기존의항염증제나통증완화제를탈피한근본적인치료방법개발의가능성을열었다할수있다. 나아가퇴행성관절염의근본적치료를목적으로하는약제 ( 저분자화합물, 항체, 유전자치료등 ) 의개발에있어합리적인표적의발굴은그성공여부를결정하는데있어필수적이라할수있다. 동시에개발된약제의유효성을정량적으로확립할수있는다각적인분자생물학적연구도수반되어야할것이다. 퇴행성관절염치료제의잠재적시장경제적가치는전세계적으로주목받고있으며이미굴지의제약회사들이기초과학연구소와의연계를통해새로운분자생물학적표적의발굴과치료제개발에박차를가하고있다 [10]. 우리나라또한이러한부가가치를지닌생명과학기술의개발에주목하고는있지만질환의근원적치료를위한차세대치료제의개발을위해서는기초생물학적연구가선행되어야한다는사실이다시한번강조되어야할것이다. [ ] 1. Shin, D.W., Nam, S., Bang, S.Y. Lee, J.-Y, Estimation of the prevalence of Korean adults aged 50 years or more with knee osteoarthritis based on the data from fifth Korea National Health and Nutrition Examination Survey, J Korean Med Assoc 2013 56 431-436 2. Wieland, H.A., Michaelis, M., Kirschbaum, B.J., Rudolphi, K.A. (2005). Osteoarthritis - an untreatable disease? Nat Rev Drug Discov. 2005 4 331-344. 웹진 2014 ㅣ 09 04
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