연구실 개요

스테로이드 호르몬은 주로 고환, 난소 및 부신과 같은 내분비 조직에서 콜레스테롤로부터 생성되며 생체 조직의 성장, 발달 및 재생을 포함하여 체내 대사항상성 조절 기능을 수행하는 신호전달 화합물로서, 생화학적 기능 및 화학적 구조에 따라 progestogen, corticoid (gluco-/mineralo-corticoids), androgen 및 estrogen으로 나뉜다(그림 1). 따라서, 다양한 생체 시료에 존재하는 스테로이드의 종류와 농도를 평가하는 것은 내분비 기능을 이해하기 위한 중요한 요소이다. 본 실험실에서는 분석화학 기초원리인 크로마토그래피와 질량분석법을 기반으로 스테로이드의 정성 및 정량분석 기술을 개발함과 동시에 관련 내분비 질환들을 대상으로 임상중개 연구를 수행하고 있다. 또한, 질환 및 성장/발달과정에서의 생리기능 규명을 위하여 국내외 기초 연구팀들과 공동연구를 진행하고 있다.

주요 연구 내용

1. 스테로이드 정밀분석을 위한 프로파일링 기술 현재까지 약 80여종의 스테로이드들을 대상으로 내분비 대사항상성 기능 연구가 활발하게 진행되고 있으나, 사람을 포함하는 포유류의 생체 내에 존재하는 스테로이드 호르몬은 약 200여종이 존재한다고 알려져 있다. 따라서, 생체 시료 내 특정 스테로이드를 측정하고자 하는 경우, 화학적 구조가 매우 유사한 다른 200여종의 스테로이드 화합물로부터 효과적으로 분리하여 측정하는 것이 매우 중요하다.

본 실험실은, 임상현장에서 주로 사용되고 있는 효소면역반응법(enzyme immunoassay, EIA)과는 차별화되는 질량분석법(mass spectrometry, MS)의 검출효율을 극대화 하기 위하여,¹ 다양한 스테로이드 화합물을 생물학적 기능 및 화학적 구조로 구분하여 최적화된 프로파일링 기술들을 활용하고 있다. 예를 들어, androgen과 estrogen에 해당되는 스테로이드들은 상대적으로 비극성이며, 콜레스테롤 대사체들은 대표적인 lipophilic 스테로이드이므로 주로 기체크로마토그래피(gas chromatography, GC)를 사용하여 정밀하게 방해물질로부터 분리할 수 있다.^2,3 또한 progestogen과 corticoid에 해당되는 화합물들은 액체크로마토그래피(liquid chromatography, LC)를 활용하는 경우, 보다 효과적인 분석이 가능하며,3 최근에는 hydrophilic한 부신호르몬을 분석하는 LC-MS 방법을 기반으로 부신 피질 내 스테로이드 뿐만 아니라 수질 내 카테콜아민과 그의 대사체들을 동시에 분석할 수 있는 방법을 개발하여 연구를 수행하고있다(그림 2).⁴

2. 생체 시료 별 steroid panel 구축을 통한 임상중개연구 Steroidogenesis를 설명할 수 있는 다양한 스테로이드 화합물들은 특정 효소들에 의해 대사가 이루어지므로 질량분석법 기반의 프로파일링을 통하여 얻은 각각의 스테로이드들의 농도를 전구체 및 대사체들과의 비율로 계산함으로써 특정 대사효소의 활성을 평가할 수 있다(그림 3). 이러한 통합적 해석을 통하여 질환 별 특이적인 steroidogenesis를 파악하여 질환의 진단 및 모니터링이 가능한 “metabolic signatures”를 확립할 수 있다. 따라서, 부신질환자들로부터 얻은 혈액을 대상으로 스테로이드 프로파일링을 분석한 결과, congenital adrenal hyperplasia (CAH)의 다양한 subtype들을 한 번의 분석으로 선별할 수 있었으며,⁵ 이외에도 부신우연종의 원인질환의 특성화⁶ 뿐만 아니라 부신성 쿠싱으로부터 뇌하수체 쿠싱을 구분할 수 있는 대사 특이성을 확인할 수 있었다.⁷

상기와 같이 질환 별 특이적 스테로이드들을 선별한 후, 의료 현장에서의 시료 채취 편리성과 분석기술의 활용 목적을 고려하여, 본 실험실에서는 혈액 뿐만 아니라 소변과 타액, 머리카락 그리고 조직시료의 물리적 특성에 따른 시료 전처리 기술을 바탕으로 steroid panel을 확립하여 질환의 새로운 진단기술 및 임상중개연구 극대화를 위한 분석기술로 활용하고 있다.

3. 부신 및 성선 내 steroidogenesis 기능 규명 스테로이드 호르몬의 주요 생성 기관으로서 부신 뿐만 아니라 고환 및 난소 내 스테로이드 대사 변화 평가는 생물의 성장 및 발달, 그리고 관련 질환을 이해하는 핵심 기술이다. 남성호르몬을 대표하는 testosterone의 합성은 두 가지 서로 다른 경로, 즉 △4와 △5 pathway를 거치게 되는데(그림 4), 출생 전후를 포함하는 생애 주기 별로 체내에서 필요로 하는 생리기능에 따라 대사경로가 다르게 활성화되며,⁸ Leydig cell 내 CYP17A1에 의해 발현되는 17α-hydroxylase와 17,20-lyase의 비정상적인 활성과 남성의 불임에 대한 상관성이 알려져 있다.⁹ 또한, 부신 피질에서 남성호르몬 수용체와 Ad4BP/SF-1 유전자 활성의 성별 차이로 인하여 corticosteroid들의 생성량이 변화되며, 이는 남성과 여성의 근육조직의 차이를 설명하는 주요 인자임을 확인 할 수 있었다.¹⁰

최근에는, 스테로이드 대사를 기반으로 체내 생리활성 호르몬의 조절 및 기능연구와 관련하여 HPA (hypothalamus-pituitary-adrenal) 및 HPG (hypothalamus-pituitary-gonadal) 축 상호간의 신호전달에 관한 연구가 관심을 받고 있으며, 본 실험실에서는 부신이 절제된 마우스의 고환에서 증가된 testosterone을 확인할 수 있었는데, 이를 사람으로 설명하면, 감소된 cortisol은 glucocorticoid 수용체와 GnIH (gonadotropin-inhibitory hormone)의 활성을 감소시키게 되며, 이로 인해 증가된 GnRH (gonadotropin-releasing hormone)에 의해 LH (luteinizing hormone)/FSH (follicular stimulating hormone)가 활성화되어 testosterone 생성을 증가시킨다.¹¹ 따라서, HPA-HPG cross-talk과 관련된 연구는 스테로이드 활성 관련 생리현상들의 기전 규명에 있어 매우 중요한 연구 주제가 될 수 있다.

맺음말

생체 내 존재하는 미량의 스테로이드들을 정확하게 평가하는 기술은, 기초, 임상 및 중개연구 뿐만 아니라 의료현장에서 매우 중요한 도구이며, 다른 생리활성 물질들의 분석과는 달리 분석하고자 하는 화합물을 200여종의 동일한 구조를 같는 방해물질로부터 효과적으로 분리하는 과정이 매우 정밀하게 진행되어야 한다. 생리현상의 이해와 질환진단 바이오마커 발굴을 위한 연구와 더불어 steroidogenesis에 영향을 미치는 약물의 활성 평가를 통한 치료목적의 용량 및 용법을 확립하는 연구에도 스테로이드 프로파일링 기술은 활용될 수 있다.

스테로이드의 정밀분석을 수행하고 있는 본 연구실의 소개를 위하여 steroidogenesis를 가장 잘 설명할 수 있는 부신 및 성선기능을 위주로 연구의 필요성과 결과들을 소개하였으나, 콜레스테롤 대사 변화 평가를 통한 고지혈증을 포함하는 심혈관계 질환 및 성호르몬 관련 사춘기 발달과 노화 관련 연구들을 광범위하게 수행하고 있으므로, 관련 기초 및 임상중개연구에 많은 관심을 부탁드립니다.