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1. 사멸세포의 인식과 탐식의 분자적 기전

 인체 내에서는 매일 10억 개의 세포들이 사멸과정을 거치게 되고 대식세포 등이 이를 효과적으로 제거된다. 인체 내에서 세포는 사멸과정으로 진행되면 탐식세포에 의해 제거되기 위해 다양한 신호를 나타낸다고 알려져 있으며, 초기에 membrane의 asymmetry가 붕괴되어 정상적으로는 세포의 membrane의 inner leaflet에 주로 존재하는 phospholipid인 포스파티딜세린(PS)이 외부로 노출되어 탐식과정(efferocytosis)을 유도하는 것이 대표적인 ‘eat me signal' 로서 인정되고 있다. 사멸세포의 탐식을 매개하는 단백질은 크게 2가지 종류로 분류할 수 있다. 첫째는 혈액 내에 존재하는 분비단백질로서 사멸세포와 탐식세포 표면에 존재하는 수용체를 연결시켜주는 “phosphatidylserine-binding bridging molecule”이며, 직접적으로 사멸세포와 결합을 하지만 그 자체로는 탐식을 일으킬 수 없으며 integrin이나 Mer kinase 같은 대식세포의 표면에 존재하는 수용체와의 결합을 통해서 탐식이 일어난다. 두 번째는 포스파티딜세린 수용체(phosphatidylserine receptor)로 이것은 직접적으로 사멸세포의 세포막에 존재하는 포스파티딜세린을 인식해서 탐식을 일으키는 것으로 Tim4, BAI1, Stabilin-2가 있다.
 본 연구실은 대표적은 포스파티딜세린 수용체인 stabilin-2가 매개하는 탐식기전을 규명하는 것을 목표로 하고 있다. 사멸세포 탐식(Apoptotic cell clearance; Efferocytosis)은 단순히 죽은 세포를 제거하는 것이 아니라 염증 및 면역반응의 조절 등 대식세포의 기능을 조절에 작용하며, 탐식기능의 저하는 호흡기질환, 신경계 퇴행성 질환, 동맥경화증, 종양성질환 등과 같은 염증 및 면역반응과 관련된 질병과의 연관이 보고되고 있다. 따라서 사멸세포탐식의 분자적기전에 대한 규명은 다양한 질병에 적용되어 진단 및 치료에 적용가능한 표적물질을 제공하는데 기여할 것이다.

2. 세포융합의 분자적 기전

 세포간 융합은 다세포생물의 발달에 중요한 역할을 하며 다양한 생리학적 과정에 요구된다. 대표적인 것으로는 bone-absorbing osteoclast를 형성하는 대식세포간의 fusion, 태반에서 모체와 태아사이의 장막을 형성하는 syncytiotrophoblasts를 형성하는 trophoblasts사이의 fusion, 그리고 multinucleated muscle fiber를 형성하기 위한 myoblasts사이의 fusion이 있다. Cell-cell fusion에 관련된 단백질들은 cell fusion의 과정동안에 관여하는 단계에 따라서 3가지 그룹으로 나누어진다. 첫 번째는 융합이 일어나기 전에 작용하는 세포부착물질(adhesion molecules)이며, 두 번째는 lipid bilayers를 재배열하며 fusion pores를 형성시키는데 작용하는 것들이며, 세 번째 그룹은 fusion pore를 더욱 크게 만들어서 결국 하나의 막으로 만드는데 작용하는 것들이다.
 본 연구실은 포스파티딜세린이 세포융합에 작용한다는 다양한 연구결과를 바탕으로 포스파티딜세린 수용체인 stabilin-2와 이의 하부신호전달이 세포융합에 작용함을 연구하고 있다. 세포간 융합에 대한 작용기전 및 조절기전의 규명은 세포융합기술의 발달로 이어져 이종세포간의 융합에 대한 분야로 그 연구의 범위를 확대할 수 있으며 이는 종양세포와 대식세포의 융합으로 나타나는 종양세포의 phenotype 변화와 전이에 대한 이해를 넓힐 수 있으며, 나아가 stem cell의 융합에 대한 분야로 응용이 가능하다.

3. 암 치료 및 영상 능동 표적성 나노입자

 본 연구는 암의 정확한 진단과 기존 치료의 부작용 및 한계를 보완할 수 있는 새로운 종양 표적 펩타이드를 발굴하고 종양 표적 펩타이드의 혈액 내 안전성과 암 선택성을 높이기 위한 능동 표적성 나노 입자 제조하여 능동 표적성 나노입자를 이용한 종양 진단 및 종양 치료를 목표로 한 연구이다.
 이를 위해 우선 Phage Display 기법을 통해 새로운 종양 표적 펩타이드를 발굴, 라이브러리를 구축하여 최적의 펩타이드를 선택한다. 이렇게 선택한 표적 펩타이드의 혈액 내 안전성 및 암 선택성을 높이기 위한 나노 입자를 선택하여 종양 표적자가 결합된 능동성 나노 입자를 제조하고 성상 검증 및 치료효과를 검증한다.
 이러한 암 표적 펩타이드 유도 암 치료 및 영상화 기술 개발은 질병의 생물학적 특성을 영상화함으로 치료 과정에 따른 체내의 생물학적 변화의 영상을 가능하게 한다. 그 결과 체내의 생리학적 영상 정보를 통한 전달은 환자 개개인의 특성에 맞춘 의사의 진단 및 치료의 향상에 따른 환자 질병 성적의 향상을 가져오며 그 결과 환자의 삶의 질의 향상 및 의료 복지의 새로운 전기를 맞이할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 새로운 표적의 발굴은 다양한 치료적 접근을 가능하게 하여, 직접적인 치료적 기능 뿐 아니라, 기존의 사용중인 약물들의 효과 및 응용 범위를 더욱 넓히는 계기가 될 것이다.

4. 페리틴(Ferritin) 나노 케이지

 혈액 내 철분 수송에 이용되는 단백질인 페리틴 (ferritin)은 24개의 monomer가 모여 직경 12-nm의 케이지 단백질로 assembly 되는데 케이지 복합체는 규칙적인 조합으로 이루어져 케이지의 외벽, 내벽 및 접합점의 위치가 예측 가능하다. 여기에 Phage Display 등으로 동정된 표적성 펩타이드를 유전자 재조합의 방법으로 케이지 외벽에 돌출되도록 멀티 디스플레이 하면 결합력을 극대화 할 수 있다.
 본 연구에서는 이러한 페리틴 나노 케이지에, 앞서 Phage display로 개발한 IL-4 수용체 표적성 펩타이드인 AP-1를 결함하여 케이지 복합체(peptide bunches on nanocage; PBNC)를 만들었다. 천식(Asthma)은 대표적인 inflammatory 질병으로 Allergen specific T-helper type 2(Th2) cell이 IL-4와 IL-13을 분비하여 기도의 점액 과분비(mucus hyperproduction)와 기도 과민성반응(AHR; airway hyper-responsiveness)을 유도한다고 알려져 있다. 페리틴과 IL-4 수용체 표적성 펩타이드로 만든 케이지 복합체 (AP1-PBNCs)는 AP-1 단독일 때보다 IL-4 수용체를 발현하는 세포에 매우 효과적으로 부착되었으며 천식 마우스 모델에 처리 시, 기도 과민성반응 감소와 함께 기도의 점액 과분비와 염증반응을 감소시켰다.
 페리틴은 내재성 단백질이기 때문에 생체내 안정성, 비독성, 비 면역성의 장점을 가지는데 페리틴 나노 케이지에 다양한 표적성 펩타이드를 결합시켜 케이지 복합체를 만들면 암 등 여러 가지 질병의 치료적 접근과 응용이 가능할 것으로 예상된다.

5. 펩타이드 및 단백구조체 기반 분자영상 프로브, 진단 및 치료제 개발

 최근 진단제제 시장은 기하급수적인 (매년 15% 이상) 증가가 예상되어지고 있지만 (Cambridge consultant, 2007 자료), 기존 항체기반 진단법은 제작에 장시간, 고비용이 소요되고 신규 기술 개발 가능성 포화상태 등의 한계를 가지고 있어 이를 대체할 수 있는 센싱 기술 개발이 필요하다.
 이에 본 연구실은【Multiplex 바이오마커를 이용한 의료진단 시스템 개발】을 목적으로, 타 과제와 연계하여 고비용의 항체를 대체할 고감도 저비용 Designed Modular Immunodiagnostics (DMID) 플랫폼 기술을 기반으로, 항체대체 심혈관질환 진단용 비드 개발 및 시스템을 적용을 위한 연구를 수행하고 있다. 목적 단백질인 심근 Troponin I에 특이적 결합 Peptide 발굴, 1단계에서 구축된 T7-DMID Phage Library를 이용하여 스크리닝하고 샌드위치 ELISA 기법의 검출 디자인을 위해 후보 Peptide 2종 이상 발굴한다.
 이러한 생체유래 펩타이드/단백질 나노플랫폼 기반 멀티플렉스 융합소재 연구개발은 항체 제작 대비 저비용으로 DMID 합성하여 항체 기반 진단용 칩보다 경제적 (항체대비 40-56% 원가절감 효과)일 뿐 아니라, 바이오 마커에 대한 센싱 펩타이드는 질환 진단 및 예후예측이 가능하고 선택적 약물전달에 필요한 전달체로도 활용 가능할 것으로 예상된다.