본 연구실은 이화여자대학교 생명과학과 및 세포항상성 연구센터(RCCH)에 소속되어 있으며 염증과 골 대사 분야를 주로 연구하고 있다. 세포 및 동물 수준에서 선천 면역 반응의 핵심인 대식 세포와 뼈 흡수 작용에 필수적인 파골 세포 (osteoclast)를 대상으로 이들 세포의 운명을 결정하는 신호전달계와 조절 인자에 대한 연구를 수행 중이다. 최근, 파골 세포 분화의 공동 자극 수용체로 밝혀진 오스카를 대상으로 골관절염을 유발하는 새로운 병인 규명에 대한 실험 성과를 소개하고자 합니다.

  골관절염이란 뼈의 끝부분을 덮고 있어 뼈를 보호해주는 연골이 닳아서 없어지는 상태를 가리키는 말로, 관절을 구성하는 연골조직에 만성적인 퇴행성 변화가 일어나는 것을 특징으로 하기 때문에 퇴행성 관절염이라고도 명명한다 (그림1). 전 세계적으로 가장 흔한 관절 질환으로서 일반적으로 40세에 이르면 대부분의 관절에서 퇴행성 변화가 나타나며 60세 이상이 되면 50% 이상에서 골관절염의 증상이 나타난다. 현대문명의 발달과 함께 인간 평균수명의 증가로 인하여, 우리나라도 2025년에는 전체인구의 20%가 고령인구에 해당하는 초고령 사회에 진입할 것으로 전망된다. 이에 따라 중∙장년층 및 노년층에서 관절운동의 장애, 관절통, 압통, 관절의 비대, 뻣뻣함 등을 초래하고 점차적으로 일상적인 활동을 어렵게 하여 사회적 기능을 감소시키고 궁극적으로는 삶의 질 저하에 영향을 미치는 골관절염의 치료 및 연구는 인류의 건강과 복지를 위해 반드시 해결되어야만 하는 매우 중요한 문제이다.

  이러한 미충족 의료 수요에도 불구하고 아직까지 질병을 근본적으로 예방·치료하는 질환-개선 골관절염치료제 (Disease-modifying osteoarthritis drug; DMOAD)는 없는 실정이다. 줄기세포나 조직 공학을 이용하여 연골 재생을 유도하는 치료법이 연구되고 있지만, 관절염 유발 기전의 이해 부족으로 인해 치료 효율은 떨어지는 편이며, 보다 핵심적인 관절염 조절 기전 및 조절 인자의 발굴이 시급한 상황이다. 의생명과학의 발달에 힘입어 최근 분자, 세포 및 동물 수준에서 골관절염 발병 원인에 대한 연구가 활발하게 진행 중에 있으며 전임상 수준에서 다양한 DMOAD 타겟이 알려지고 있다.

  면역글로불린 수용체의 일종인 오스카 (OSCAR, Osteoclast-associated Ig-like receptor)는 기존에 뼈의 항상성을 유지하는데 필요한 세포 중 하나인 파골 세포에서 높게 발현되는 수용체라는 것이 밝혀져 있었다. 오스카 수용체에 결합하는 리간드는 콜라겐 (collagen)이며, 콜라겐은 오스카에 존재하는 2개의 면역글로불린 도메인 중 proximal domain (D2)과 결합한 뒤 오스카의 신호전달을 유발시킨다. 본 연구실에서는 오스카 수용체가 연골세포에서 골관절염 신호전달기전을 유발하며 발현된다는 것을 밝혀냈다.

  골관절염 증상을 모사할 수 있는 수술기법으로 마우스의 무릎을 열어 내측 반월상을 절제하는 DMM (Destabilized medial meniscus) 수술이 널리 쓰이고 있다 (그림 1). 마우스 무릎에 해당 수술을 진행 한 뒤 약 10주 경과 후, 마우스를 희생시켜 면역조직염색을 진행하게 되면 연골의 무너짐, 연골하골 두께 증가, 활막 염증, 골극 형성 등의 골관절염 징후들이 상당히 심각한 수준으로 일어난 것을 확인 할 수 있다. 이 때 wild-type 마우스의 경우에는 해당 징후가 잘 관찰 되는 반면, 유전자 변형 마우스를 통해 오스카 유전자가 결손된 경우에는 wild-type 마우스에 비해서 병리적 상황이 훨씬 완화된 것을 확인하였다. 이는 관절에 존재하는 연골 세포사멸을 유도하는 신호 체계의 활성화는 물론 연골 기질을 분해하는 다양한 효소 발현을 오스카 수용체가 촉진하기 때문이다. 연골 조직에는 혈관 분포가 없기 때문에 손상을 받은 후 세포의 충원이 매우 제한되고, 한번 연골세포가 세포사멸신호를 받게 되면 다시 재생 할 수 있는 기회가 매우 적다.

  Wild-type 생쥐와, 유전자 변형을 통하여 오스카 유전자를 낙아웃 (Knock-out) 시킨 생쥐에서 각각 DMM수술을 한 뒤, 연골조직 부위의 RNA-sequencing 실험을 통해 유전자 온톨로지 (gene ontology, GO) 분석을 진행한 결과, 오스카 유전자의 유무에 따라서 가장 차이가 나는 유전자 그룹은 세포사멸에 관련된 유전자 그룹이라는 것을 밝혀냈으며 그 중에서도 TRAIL (TNF-related apoptosis-inducing ligand)과TRAIL과 결합하는 수용체 중의 하나인 osteoprotegerin (OPG)라고 불리는 수용성 수용체의 발현에 차이가 있음을 확인하였다. 나아가 오스카 낙아웃 생쥐의 경우에는 TRAIL 발현은 감소하는 반면, OPG 발현은 증가하는 것을 확인함으로써, 오스카를 통해 이루어지는 연골세포의 세포사멸 신호전달이 골관절염 유발의 병인임을 시사하였다 (그림 2).

그림 2) 오스카 수용체를 통한 연골 세포 사멸 신호 기전 및 골관절염 유발 모델

  또한 본 연구팀은 오스카 수용체의 세포 밖 부분을 항체의 Fc domain과 연결·발현시키는 기술을 활용해 인간 유래 오스카 수용체 (human OSCAR-Fc)를 대량 생산할 수 있는 시스템을 구축했다. 이러한 단백질 제제는 마우스의 골관절염 모델에서 효과적으로 골관절염의 진행을 억제했다. 마우스의 슬관절강 내부로 직접 약제를 주사하는 IA (Intra-articular) 주사법을 이용하여 hOSCAR-Fc를 주입 하였을 때, 그렇지 않은 대조군에 비하여 골관절염이 완화되는 것을 면역조직화학 염색을 통해 관찰 할 수 있었다. 또한TRAIL과 사멸 수용체의 발현을 확인하였고 동시에 세포사멸 유무를 판단하기 위하여 TUNEL (terminal deoxynucleotidyl transferase biotin-dUTP nick end labeling) 염색을 시행한 결과, TUNEL 양성 반응을 보이는 연골세포들의 핵을 확인할 수 있었으며 hOSCAR-Fc를 IA-injection한 생쥐 그룹에서는 TUNEL 양성반응을 보이는 연골 세포가 현저히 감소한 것을 확인하였다.

  본 연구의 의의는 생쥐는 물론 인간에게도 적용 가능한 골관절염 발병의 새로운 원인 수용체를 최초로 규명한 점에 있다. 이번 연구를 통해 오스카 수용체를 표적으로 하는 골관절염 예방과 치료법 개발의 새로운 실마리를 제공할 수 있을 것으로 기대하며, 예방·치료 목적의 항-오스카 항체의 개발 등의 연구가 진행 중에 있다. 이를 통해서 단순히 관절의 통증 완화에 그치는 것이 아니라 연골 기능 개선 효과를 기대할 수 있는 DMOAD 개발을 기대할 수 있다. 더 나아가, 연골 세포에서 오스카 수용체 신호 체계의 기초 연구를 통해 새로운 치료제 개발의 실마리를 찾을 수 있을 것으로 기대 한다.

1) Park, D. R., Kim, J., Kim, G. M., Lee, H., Kim, M., Hwang, D., ... & Shim, H. (2020). Osteoclast-associated receptor blockade prevents articular cartilage destruction via chondrocyte apoptosis regulation. Nature communications, 11(1), 1-11.

2) Barrow, A. D., Raynal, N., Andersen, T. L., Slatter, D. A., Bihan, D., Pugh, N., ... & Delaisse, J. M. (2011). OSCAR is a collagen receptor that costimulates osteoclastogenesis in DAP12-deficient humans and mice. The Journal of clinical investigation, 121(9).

3) Kim, N., Takami, M., Rho, J., Josien, R., & Choi, Y. (2002). A novel member of the leukocyte receptor complex regulates osteoclast differentiation. The Journal of experimental medicine, 195(2), 201-209.

4) Merck, E., Gaillard, C., Gorman, D. M., Montero-Julian, F., Durand, I., Zurawski, S. M., ... & Bates, E. E. (2004). OSCAR is an FcRγ-associated receptor that is expressed by myeloid cells and is involved in antigen presentation and activation of human dendritic cells. Blood, 104(5), 1386-1395.

5) Zhou, L., Hinerman, J. M., Blaszczyk, M., Miller, J. L., Conrady, D. G., Barrow, A. D., ... & Herr, A. B. (2016). Structural basis for collagen recognition by the immune receptor OSCAR. Blood, The Journal of the American Society of Hematology, 127(5), 529-537.