면역증강제 포함된 핵산나노입자로 면역세포 활성화-HIV 감염환자의 혈액에서 수지상세포 자극, 항바이러스 단백질 분비 유도

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2021. 9. 24.

면역증강제 포함된 핵산나노입자로 면역세포 활성화-HIV 감염환자의 혈액에서 수지상세포 자극, 항바이러스 단백질 분비 유도

 

등록일2021.09.17.

 

 

 

면역증강제 포함된 핵산나노입자로 면역세포 활성화 

HIV 감염환자의 혈액에서 수지상세포 자극, 항바이러스 단백질 분비 유도 

 

 

□ 한국연구재단은 곽민석 교수(부경대학교)·진준오 교수(영남대학교) 연구팀이 면역활성 유도 핵산나노입자를 개발했다고 밝혔다.

 ○ 인체면역결핍바이러스(HIV) 감염환자의 면역세포가 외부 침입물로 인식할 합성 핵산분자를 제작, 면역세포를 활성화 시키고 감염된 세포를 제거한다는 전략이다. 

 

□ 인체면역결핍바이러스에 감염되면 면역체계가 손상되어 병원균침입에 취약하다. 따라서 바이러스를 제거하며 손상된 면역체계를 회복하는 것이 중요한 과제이다.

 

□ 연구팀은 구(球)형으로 자가조립될 수 있는 지질핵산염기에 면역세포를 활성화하는 면역증강 서열이 결합된 지질 DNA 분자들이 뭉치는 원리로 직경 약 14 나노미터(10억분의 1 미터)의 면역증강 핵산나노입자를 설계, 합성했다.*

   ※ HIV 바이러스의 크기는 약 100 나노미터

 

 

 

□ CpG* 라는 특징적인 염기서열을 가진 핵산에 의해 활성화되는 면역세포 수용체를 이용했다. CpG에 의해 활성화된 항원제시세포*가 T 림프구*를 자극하여 감염을 막는다는 전략이다. 

   ※ CpG 염기서열 : 병원균이 가진 핵산 서열로 수용체가 인식하여 포유동물의 면역체계 활성화를 유도하는 물질.

   ※ 항원제시세포(Antigen presenting cell) : 병원체의 특징(단백질 등 생체분자)을 면역계의 다른 세포들이 인식하도록 표면에 표시하는 면역세포(수지상세포, 대식세포)

   ※ T 림프구 : 항원 제시 세포로부터 활성 유도되어 항원을 함유하고 있는 병원균을 선택적으로 사멸시켜는 면역세포

 

□ 면역세포를 자극할 CpG 염기서열을 가진 핵산에 지질이중막 구조의 세포막을 효과적으로 통과할 수 있도록 인공 지질구조를 더한 지질핵산 나노입자를 설계했다. 

 ○ 기존에도 CpG 면역증강제를 리포좀 등 약물전달체에 결합시킨 시도가 있었지만 효과적 전달이나 세포유입에 한계가 있었다. 

 

□ 연구팀이 만든 지질 핵산 나노입자는 자가조립 성질을 가져 약물전달체가 필요 없고 여러 지질 핵산이 마이셀* 모양으로 응집한 작은 나노구조를 균일하게 만드는 것이 특징이라고 설명했다. 

   ※ 마이셀(Micelle) : 미세상분리(micro-phase separation)에 의해 소수성 작용기는 소수성끼리, 친수성 작용기는 친수성끼리 뭉치려는 현상에 의해 만들어지며 일반적으로 구형의 모양이다.

 

□ 인체면역결핍바이러스 감염 환자의 혈액을 이용해 이 나노입자의 면역세포 활성화 능력과 항바이러스 효과를 확인했다. 환자 혈액에 있는 백혈구의 활성을 유도하는 한편 바이러스에 대항하는 특화된 수지상세포를 자극하여 바이러스와 싸울 수 있는 사이토카인 단백질이 대량으로 분비될 수 있도록 한다는 것이다. 

 

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업 등의 지원으로 수행된 이 연구성과는 바이오 소재 분야 국제학술지 ‘바이오머티리얼스(Biomaterials)’에 8월 27일 게재(온라인)되었다. 

 

주요내용 설명

 

 <작성 : 부경대학교 곽민석 교수>

 

논문명

Carrier-free micellar CpG interacting with cell membrane for enhanced immunological treatment of HIV-1

저널명 

Biomaterials

키워드 

DNA nanotechnology, DNA micelles, Dendritic cells, Natural killer cells, Anti-HIV

DOI

10.1016/j.biomaterials.2021.121081

저  자

곽민석 교수(교신저자/부경대학교), 진준오 교수(교신저자/영남대학교), 김해주 박사과정(제1저자/부경대학교), 장웨이(Wei Zhang)(참여저자/푸단대학교), 황주영 박사과정(참여저자/영남대학교), 안은경 석사과정(참여저자/영남대학교), 최열교 교수(참여저자/고려대학교), 문은영 연구원 (참여저자/한국기초과학지원연구원), 마크 로즈닉(Mark Loznik)(참여저자/RWTH아헨공대), 허양훈 박사(참여저자/한국기초과학지원연구원), 안드레아스 헤어만(Andreas Herrmann)(참여저자/RWTH아헨공대) 

 

 

1. 연구의 필요성

 ○ HIV 감염 치료법 중 항바이러스 치료법은 가장 중요한 치료법으로, 국내에서도 다양한 약제들의 조합으로 항바이러스 병용 치료가 활발하게 사용되고 있다. 

 ○ 현재의 치료법으로는 HIV 감염의 완치는 불가능하여, 그저 바이러스를 억제하고 면역기능을 회복시켜 유지시키는 등의 치료로 사망률을 감소시키는데 목적을 두고 있다. 따라서 손상된 면역체계를 회복시키고, 잠복되어 있는 바이러스를 근절하는 등의 치료제 개발이 필요하다.

 

 2. 연구내용 

 ○ HIV 치료를 목적으로 면역활성제인 CpG 서열을 포함하는 핵산 기반 나노 구조를 사용한다. 개발한 면역증강 핵산나노입자(U4CpG)는 생체 내의 세포막과 강한 상호작용을 하여, 면역세포에 전달된다는 것이 컴퓨터 시뮬레이션과 세포 실험을 통해서 입증되었다. 

 ○ HIV 감염 환자의 백혈구에 면역증강 핵산나노입자를 처리한 결과 제1형 인터페론(IFN-α, IFN-β1)의 분비를 유도하고, 형질 수지상 세포의 표면 활성 단백질 발현을 유도하는 것으로 확인되었다. 또한, 혈질 수지상 세포 활성은 자연 살해세포의 활성을 유도하여 인터페론-감마(INF-γ)의 분비를 촉진하였다. 

 ○ 면역증강 핵산나노입자가 유도한 면역 세포 활성은 결과적으로 HIV 감염 세포에서 HIV 항원 단백질의 발현을 감소시킨다는 것을 확인하여 세포내외의 HIV를 제거할 수 있다는 결과를 도출하였다. 또한, 유전자에 잠복되어 있는 HIV를 강제적으로 발현 시켜 잠복 HIV를 활성으로 전환 (latency reversal) 시키는 효과가 있다는 것도 확인되었다.

 

3. 기대효과

 ○ 개발한 면역증강 핵산나노입자의 구성물질인 지질 핵산은 면역증강제를 면역세포로 전달하는데 용이할 뿐 아니라 생체친화적 화학구조로 이뤄져 생체 독성이 적다.

 ○ 면역증강 핵산나노입자는 에이즈가 발병되어 면역체계가 무너진 환자 에게서도 면역 세포들의 활성을 유도하였고 그 활성으로 HIV를 사멸시키는 것이 확인되었다. 따라서 본 결과로 에이즈가 발병된 환자의 면역 체계를 회복함과 함께 HIV를 사멸 시킬 수 있을 것이라고 기대할 수 있다.  

 ○ 면역증강 핵산나노입자는 바이러스 치료를 위한 다양한 면역활성을 유도 하는 것으로 확인되어 HIV 뿐 아니라 코로나 바이러스에도 효과가 있는 치료제로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 신규 핵산나노입자를 코로나 바이러스 백신으로도 개발 가능할 것으로 기대되며 지속적인 연구를 수행하고 있다.

 

그림 설명

 

 

 

 

 

 

(그림1) 면역증강 핵산나노입자의 HIV 대항 면역활성 전략 모식도 

자가조립되는 지질핵산과 면역세포 활성화를 유도할 면역증강제로 구형의 나노입자를 제작하였다. 이 입자는 HIV 감염환자의 면역세포에 전달되어 면역세포의 활성화를 유도하고, 활성화된 면역세포에서 제 1형 인터페론과 인터페론 감마 등 사이토카인을 분비하여 바이러스를 제거하고 HIV의 잠복기를 전환(증상이 호전됨)시킨다.

그림설명 및 그림제공 : 부경대학교 곽민석 교수 

 

 

 

 

(그림2) 지질 DNA 면역활성 분자의 세포막 상호작용 분자 동역학 연구 (동영상)

면역활성 DNA 염기서열(빨강)의 말단에 소수성의 지질 작용기(파랑)를 가진 지질 DNA 분자는 미세상분리의 원리로 구형의 나노입자로 자가조립한다. 또한 컴퓨터를 사용하여 분자동역학 계산을 실시한 결과, 인산지질로 구성된 세포막에 끼어드는 성질이 있어 약물전달에 뛰어난 효과를 나타내는 것으로 알려졌다.

그림설명 및 그림제공 : 부경대학교 곽민석 교수 

 

 

 

 

 

(그림3) 핵산나노입자의 면역세포 활성화 및 HIV 제거와 잠복기 전환 효과      

HIV 감염환자에서 얻은 세포실험에서 면역세포의 활성화로 수지상세포에서 제 1형 인터페론이, NK 세포에서 인터페론 감마가 분비된다. 그리고 활성화된 면역세포로 인해 HIV의 제거가 일어나고, 더 나아가 HIV 잠복기 전환도 일어난다. 이러한 효과는 면역증강제만 사용했을 때 보다 면역증강 핵산나노입자를 사용했을 때 더 높게 나타난다.

그림설명 및 그림제공: 영남대학교 진준오 교수