서론

생체 내 모든 물질(예, 단백질, 지질, 포도당, 그 외 다양한 대사체 등)은 지속적인 대사회전 상태에 있다. 이는 1930년대 콜롬비아 의대의 Rudolf Schoenheimer 교수의 선구적인 동위원소 트레이싱 기법연구를 통해 실험적으로 밝혀지게 되었다. 인체 대사, 특히 운동 중 또는 운동 트레이닝 후에 나타나는 당, 지방, 아미노산, 젖산 대사의 역동적 변화를 안정성 동위원소로 표지 된 추적체stable isotope tracer를 이용해서 면밀히 드려다 볼 수 있다는 것에 매료되어 2003년 미국 유학을 떠났으나, 대학원 과정을 마친 후인 2012년 박사후과정이 되어서야 안정성 동위원소 추적체 기법을 기반으로 하는 생체대사플럭스in vivo metabolic flux연구를 University of Arkansas for Medical Sciences의 Geriatrics에 계신 이 분야 세계최고 석학이신 Robert R. Wolfe 교수님의 지도하에 경험할 수 있었다. 이곳에서 박사후과정, 전임강사, 및 조교수를 거치는 동안 심부전, 고지혈증, 암, 근감소증, 인슐린 저항성 등을 가진 다양한 환자들과 특이질환이 없는 “건강한” 노인 및 젊은 성인들을 대상으로 다양한 임상대사연구를 수행했다. 특히 노인들의 근육 및 근기능 감소(근감소증) 개선에 효과적인 영양 처치와 관련하여, 단백질 및 필수아미노산의 효능을 음식소스, 배합비율, 섭취용량, 섭취타이밍, 섭취빈도 등과 관련하여, 그 효능을 안정성 동위원소로 표지 된 아미노산 추적체를 이용한 임상근육단백질연구를 다수 수행하다가, 2018년 1월부터 가천의대 의예과로 자리를 옮겨서 integrative Metabolic Fluxomics Lab(iMFL)을 열어 다양한 대사연구를 수행하고 있다 (www.integrativemetabolicflux.com).

iMFL의 주요연구분야

iMFL 연구실은 “statomics”(정적, 스냅샷 대사정보)와 “dynamics”(역동적 대사유동속도metabolic flux rate정보) 기법을 효과적으로 병행하여 다양한 대사연구를 수행하고 있다. iMFL에서는 대사조절이상과 관련된 다양한 영역에 관심을 두고, 이를 전임상/기초연구에서 임상연구에 이르기 까지 폭넓은 수준에서 연구성과를 내려는 노력 중에 있다. 미국에서 다양한 임상생체대사플럭스연구(2012년 – 2017년)를 경험하고, 2018년 가천의대 이길여암당뇨연구원에 연구실을 연 후, 현재 마우스 모델과 다양한 세포주에서 좀 더 면밀한 생체대사의 역동적인 변화를 추적하는 시스템을 확립(그림 1)하여, 전신, 기관, 및 세포 수준에서 대사체의 유동속도 및 변화를 다양한 질환자 또는 질환모델(근감소증, 암악액질, 인슐린 저항성, 당뇨병, 비알코올성지방간, 비만 등)에서 운동(저항성 및 유산소성 운동), 영양소(필수아미노산/단백질 등), 약물처치에 따른 효능에 대해 연구 중이다. iMFL의 핵심연구영역은 크게 세가지로 나눌 수 있다. 1) 노인성 근감소증 및 암악액질에서 보이는 동화저항성의 생물학적 기전 구명, 2) 다양한 대사질환, 특히 인슐린 저항성 모델(지방간, 비만, 당뇨병 등)에서 대사이상조절에 대한 대사metabolic mechanisms 및 분자기전 구명, 3) 다양한 안정성 동위원소 추적체 기법 구축 및 개발로 나누어 볼 수 있다.

1) 노인성 근감소증 및 암악액질에서 보이는 동화저항성의 생물학적 기전 구명

근감소증은 최근 WHO 뿐 아니라 한국에서도 근육질환의 하나로 분류되었으며, 심부전, 암, 화상, 인슐린 저항성, 비만, 당뇨병, 골다공증 등에 직간접적으로 영향을 미친다. 따라서 노인들의 건강과 삶의 질향상을 위해서는 근감소증을 개선할 수 있는 신약개발이 절실함에도 성공적인 치료제 개발은 부재하다. 근감소증의 병인은 복잡하며 사람마다 차이가 있을 수 있으나, 동화저항성anabolic resistance이 공통적으로 나타나는 특징이며, 이는 암악액질인 경우에도 비슷하다. 동화저항성이란 동화자극(예, 근력운동, 단백질, 필수아미노산)에 대한 근육의 동화반응(즉, 근육단백질합성) 효율이 떨어진 상태이다. 먼저 동화자극(예 근력운동) 중재에 대한 근육의 동화반응(근육량의 증가)의 정도를 정확히 알아야 한다. 문제는 현행 연구의 대부분은 근육량 대신 제지방량(약 ½이 근육량임 – 질병상태 등에 따라 그 비율은 상이함)의 측정값에 의존하므로 정확성에 제한점이 있다. iMFL은 기존의 간접측정법(예, DEXA, InBody 등)이 아닌 직접근육량측정법인 D3-creatine dilution 기법을 구축하였다. 이 기법을 이용해서 동물모델과 노인대상으로 근력운동트레이닝 단독 또는 식이필수아미노산 병행처치로 나타나는 근육량(변화)을 정량화하는 연구를 수행하고 있다. 나아가 정량화된 동화저항성의 차이를 설명하는 다양한 인자들에 대한 이해는 다층 수준(전사체, 단백체, 대사체, 신호기전)에서 대사기전과 분자기전을 바탕으로 통합적으로 이해하려 하고 있다. 먼저 노인을 대상으로 한 근력운동트레이닝 중재연구(UAMS의 Robert Wolfe 교수와 협업 중)에서 중수표지법(2H2O, deuterium oxide)을 이용하여 근력운동트레이닝으로 인해서 변하는 핵심적인 ~수천개의 단백질 대사회전율을 UC Berkeley의 Hellerstein 교수팀(D3-creatine dilution 기법 개발자)과 협업 중에 있다. iMFL은 다양한 수준에서 dynamics와 statomics 기법을 상보적으로 적용하여 노인들에게서 보이는 동화저항성의 개인차이가 어떠한 인자들에 의해서 발생하며, 균형을 이룬 9종의 식이필수아미노산을 장기간 처치(섭취)했을 때 이러한 동화저항성이 어떻게 완화되는지를 세포, 마우스, 그리고 노인대상으로 연구를 수행하고 있다. 이러한 연구는 앞으로 효과적인 (근감소증 및 암악액질 등) 근소모질환 치료제 개발에 통찰력을 제공할 것으로 생각된다.

2) 다양한 대사질환에서 대사조절이상에 대한 대사기전 및 분자기전 구명

복잡한 생체의 대사 네트워크의 이상변화는 다양한 질병상태에 이르게 한다. 이를 구명하기 위해 연구자들은 대부분 statomics 기법에 의존한 대사정보(대사에 관여하는 효소 및 대사산물 등의 농도)를 바탕으로 대사유동속도를 추정하고 있으나, 대사효소는 그 외 다양한 인자들(예, 알로스테릭 피드백 및 기질 가용도 등)에 의해 영향을 받으므로 대사유동속도를 정확히 추정하는데 상당한 제한점이 있다. 따라서 이러한 복잡한 대사유동속도의 역동적인 변화를 전신, 기관, 및 세포 수준에서 이해하기 위하여 안정성 동위원소로 표지된 대사추적체를 이용하여 대사체의 이동경로와 유동속도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 제2 형 당뇨병에서 공복 시 증가된 포도당신생합성Gluconeogenesis: GNG은 고혈당의 원인 중 하나이며, 혈중에서 증가된 젖산이 다른 GNG 전구체(pyruvate, glycerol, alanine 등)에 비해 가장 큰 기여를 하는 것으로 알려져 있다. 반면 유산소 운동 트레이닝은 공복 시 GNG를 감소시키는 것으로 알려져 있으며 골격근육의 혈중젖산이용(산화)율의 증가로 인해 간으로 공급되는 GNG 전구체의 전달속도가 감소하는 것에 기인한 것으로 보이지만, 아직까지 이에 대한 (대사유동속도 관점에서) 심도 깊은 연구는 없어 보인다. 이는 다양한 GNG 전구체의 정량적 기여도를 정확하게 분석할 수 있는 기술적 제한점이 큰 이유 인 것으로 보인다. 이에 iMFL은 안정성 동위원소로 표지된 각각의 전구체 추적체 및 Mass Isotopomer Distribution Analysis (MIDA: 대사유동속도 분석에서 전구체가 생성물로 합성되는 속도를 추정하기 위한 필수적인 정보인 “실제” 전구체 인리치먼트true precursor enrichment 계산 원리)를 이용해서 개별 전구체가 전체 GNG에 기여하는 정량적 속도를 분석하는 기법을 구축했다. 이로써 당뇨병 환자에게서 나타나는 공복 시 고혈당의 원인 구명에 중요한 통찰을 제공할 것으로 예상된다. 또한 기존의 인슐린 작용 분석의 최적표준기법으로 알려진 Hyperinsulinemic Euglycemic Clamp에 안정성 동위원소 추적체 기법과 더블카테터double catheter 기법을 적용하여 혈당 유동속도 뿐 아니라 다양한 기질들의 대사유동속도변화를 보다 정확하게 측정할 수 있는 기법을 구축하여 당대사 및 관련대사연구를 수행 중에 있다.

3) 다양한 안정성 동위원소 추적체 기법 구축 및 개발

2018년 1월에 가천의대에 부임한 이래, iMFL에는 마우스와 세포주에 적용할 수 있는 다양한 안정성 동위원소 추적체 기법을 구축 또는 구축 중에 있다 (그림 2). 안정성 동위원소 추적체 기법은 크게 추적체 희석모델tracer dilution model과 편입 모델tracer incorporation model과single- 과 multiple-pool 그리고 single- 과 multiple-precursor에 기반한 기본적인 추적체 모델구조를 바탕으로 모든 대사유동속도를 측정/계산할 수 있다. 구체적인 추적기법 원리는 본 연구자의 최근 종설논문을 참고하기 바란다. [생체대사체의 유동속도분석] iMFL은 이러한 기법을 이용해 다양한 기질들의 대사회전율, 산화율, De novo 합성, 중합체 합성 등을 생체수준에서 분석/계산이 가능하다. 대사체에 ¹³C 또는 ²H가 표지된 추적체 (예, ¹³C-glucose, ¹³C-palmitate, ²H-glycerol 등)를 경정맥 또는 경정맥-경동맥 더블 카테터법을 이용해서 지속적으로 주입하거나 구강 또는 I.P.로 주입하는 방법을 이용하여 대사유동속도를 다양한 측면에서 분석/계산하고 있다. 특히 경정맥-경동맥 더블카테터삽입기법을 확립해서 경정맥으로 추적체를 주입하고 동시에 (사람의 손을 많이는 타는 꼬리 채혈이 아닌) 경동맥 채혈로, 혈액으로 들어오고 나가는 생체대사물질의 대사유동속도 뿐 아니라 (조직을 적출 후) 세포 내 대사체 유동속도를 다양한 대사경로측면에서 분석/측정할 수 있게 구축했다. [중합체합성속도분석] iMFL은 중수표지법을 이용하여 다양한 중합체(특히 단백질)의 합성속도를 분석/계산할 수 있는 시스템을 구축했다. 이 기법을 이용하여 일상생활을 유지하는 조건free-living condition에서 마우스가 ²H₂O를 섭취하게 하여(세포의 경우는 일정 비율로 ²H₂O를 배양액에 포함)하여, ²H₂O의 ²H가 다양한 중합체, 예를 들어, 단백질, 중성지방, 지방산, 포도당 등의 전구체를 (수소교환을 통해) 표지하고, 표지된 전구체가 중합체로 편입(즉, 합성)되는 속도를 분석/계산할 수 있다. [세포내 대사네트워크의 유동속도분석] iMFL에서는 Metabolic Flux Analysis (MFA)기법을 이용해서 세포의 내부에서 일어나는 대사경로의 유동속도(예, glycolysis, TCA cycle, 등)를 정량적으로 분석/계산할 수 있는 기법을 구축하여 최적화 중에 있다. [전신 및 조직 인슐린민감도 분석] 또한 생체 수준에서 전신과 근육과 같은 조직의 인슐린의 작용을 측정하는 최적표준기법인 hyperinsulinemic euglycemic clamp에 (기존의 방사성 동위원소 추적체 및 경정맥 싱글카테터법 대신) 다중 안정성 동위원소 추적체와 경정맥-경동맥 더블카테터법을 이용한 분석법을 확립하여 최적화하고 있다. [단백체 키네틱스분석] 기존의 proteomics기법은 근육 등의 단백체의 수많은 개별 단백질의 농도 또는 양에 대한 정보 (“statomics”)를 제공하나, 역동적으로 변화하는 단백체의 대사적 상태에 대한 정보는 제시하지 못한다. 반면 iMFL에서 구축 중인 proteome kinetics 기법은 단백체 내에 있는 개개의 수많은 단백질의 합성속도, 즉, 역동적인 변화정보를 제공하는 기법이다. 이 기법은 UC Berkeley의 Hellerstein 교수팀에서 개발한 방법으로 현재 본 연구자가 수행 중인 중견과제 연구에 협력 중에 있다. [직접근육량측정법] 더불어 D3-creatine dilution 기법을 이용한 직접적 근육량 측정법도 확립하여 다양한 마우스의 근육연구에 적용하고 있으며 조만간 근감소증 임상연구에도 적용할 할 것이다. [기질이동속도분석] 마지막으로 본 실험실은 기관과 기관 간 organ to organ에 기질들의 이동, 교환, 및 흡수에 대한 대사유동속도의 정량적 분석을 위해 수학적 모델링 기반 추적체 기법을 구축하는데 노력하고 있다. [공동연구 및 용역] 본 연구자의 다양한 (이미 구축된) 대사유동속도 기법들은 현재 국내의 많은 대학연구자들, 국가연구소, 신약개발회사들에게 협업 또는 용역의 형태로 제공하여, Journal for ImmunoTherapy of Cancer에 개제되었고, 다른 세계적인 저명 저널 (Nature, Nature Metabolism, Kidney International 등)에 투고되어 심사 또는 교정 중에 있다. 또한 안정성 동위원소 분석기법 서비스(www.myocare.co.kr)를 교내창업을 통해서 병행하고 있다.

맺음말

본 연구자는 역동적 항상성을 유지하는 생체 대사조절에 대한 심층적 이해를 위해 안정성 동위원소 추적체 기법을 다각적인 측면에서 고도화하고 있다. 본 연구자는 iMFL 연구원들의 연구 뿐 아니라 국내외 연구자들의 성공적인 연구에 조력하고자 한다. 마지막으로 본 연구실을 소개할 수 있도록 기회를 주신 대한내분비학회 관계자 여러분들에게 감사를 드립니다.

Conflict of Interest

본 연구자는 근육기능성식품 개발/판매와 대사유동속도분석서비스를 제공하는 주식회사 마이오케어(myocare)의 대표이사를 겸하고 있다. 그림은 BioRender.com을 이용하여 만들었다.

참고문헌

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