심혈관질환 연구 동향

심혈관질환은 심장과 혈관의 질환을 포함하는 광범위한 질환군으로 심근경색, 고혈압, 심부전, 부정맥 등을 들 수 있습니다. 심혈관질환은 주요 사망 원인의 하나이며 고혈압, 당뇨병, 흡연, 그리고 가족력 등의 위험 요인에 크게 영향을 받습니다. 최근에는 정확한 조기 진단과 예후 예측을 위하여 빅데이터 및 오믹스 기반의 바이오 마커 발굴을 위한 연구가 활발합니다. 또한 환자의 유전체와 단백체, 그리고 유도만능 줄기세포를 활용한 체외모델 개발의 속도 또한 매우 빠른데, 이는 환자 개인별 발병 및 진행 단계를 이해하고, 이에 맞는 최적의 치료기술을 개발하기 위해서 입니다.

저는 심혈관 조직 항상성 유지와 질환성 스트레스에 대한 반응에 관심을 가지고 있으며, 그중 염증(inflammation)과 섬유화(fibrosis)를 중심으로 질환의 예방/치료/재생 기전을 연구하고 있습니다.

염증은 심근경색, 심부전, 동맥경화와 같은 다양한 심장질환의 발병과 진행에 관여하는데, 심장근육의 손상을 가속화화여 심장 기능을 저하시켜 장기적 심장질환으로 악화시킬 수 있습니다. 또한 혈관 내벽 손상, 플라크 형성, 혈전 생성 등을 촉진하여 심혈관 질환뿐만 아니라 뇌혈관 질환의 위험도 증가시킵니다.

다양한 이미징 기술과 분자생물학적 기법이 빠르게 개발되고 있고, 단일 세포 단위로 전사체/유전체/유리체 등을 분석할 수 있게 되어, 이제는 세포 모델뿐만 아니라 동물 모델로부터 얻을 수 있는 연구 데이터의 폭이 매우 광범위해지고 있습니다.

최근 연구의 소개

저는 연구를 위한 모델로 주로 마우스 심근경색과 동맥경화 모델을 사용하고 있으며, 치료기술을 개발하기 위하여 줄기세포, 기능성 신소재, 저분자 화합물 등을 활용하고 있습니다. 심장초음파 검사로 심기능을 측정하고, 병변 조직을 면역형광염색하여 구조와 기능을 분석하고, 다양한 혈중 인자를 추적 검사합니다.

또한 심장이식수술 케이스와 부검으로부터 심장을 수집하여, 사람의 병변에서도 연구의 결과를 뒷받침할 수 있는지 최대한 확인하고 있습니다. 관상동맥은 동맥경화반의 정도에 따라 분류하고, 심장조직의 경우에는 섬유화 또는 염증의 형태와 단계가 매우 다양하여 연구 목적에 맞게 분류하여 활용하고 있습니다.

염증의 조절을 통해 심혈관질환의 예방 및 치료 가능성을 탐구하고 있는 최근의 연구 중, 염증에 의한 세포의 변환 (cell transition) 제어에 대한 두 가지 연구 내용을 간단히 소개해 드리겠습니다. 용어 사용에 있어 ‘transition’을 보통 ‘전이’로 해석하지만 ‘metastasis’와의 혼돈을 피하고 의미를 좀 더 쉽게 표현하기 위하여 ‘변환’이라고 사용하겠습니다.

1. 동맥경화반을 감싸고 있는 혈관평활근세포의 변환

1) 배경 대표적인 성체 줄기세포인 중간엽줄기세포(mesenchymal stem cell)는 비교적 안전한 세포치료제로 개발되고 있는데, 심장의 경우 심근 재생보다는 줄기세포가 분비하는 고활성 성장인자에 의한 병리적 미세환경의 개선이 주요한 치료 효과로 알려졌습니다. 즉, 줄기세포에 의한 활성 인자들이 조직의 염증을 억제하고, 혈관신생을 촉진하고, 과도한 섬유화를 제어하여 조직의 기능을 보존하거나 개선시킵니다. 이러한 연구 결과를 바탕으로, 주변 미세환경에 민감하게 반응하는 중간엽줄기세포의 특성을 활용하여 줄기세포를 사용하지 않는 세포치료(cell-free cell therapy)를 시도하였습니다. 중간엽줄기세포가 대식세포 또는 염증성 매개체를 인식하면 수많은 인자들을 발현하여 세포 외부로 분비하는데, 저희는 그중 수용성 인자인 angiopoietin like 4 (angptl4)를 선별하였습니다. ANGPTL4의 항염증 활성을 확인하여, 이 인자만으로 치료 효과를 볼 수 있는지 연구를 시작하였습니다. 심근경색증 마우스에 ANGOTL4를 복강 투여한 결과 심근 염증과 섬유화가 감소되었고, 혈관신생 은 촉진되어 심기능이 잘 보존되었습니다. 즉, 중간엽줄기세포의 활성 인자만으로도 조직 치유를 유도할 수 있다는 개념을 검증한 셈입니다.

2) 연구 내용 다음으로, 대표적인 염증성 질환 모델인 동맥경화 마우스에도 ANGPTL4를 투여하였는데 예상대로 항염증 활성이 작용하여 항동맥경화 효과를 보였습니다. 그런데 매우 특이하게, 동맥경화반을 감싸고 있는 fibrous cap의 두께가 현저하게 증가하여 동맥경화반이 파열되지 않도록 안정적인 구조를 형성하였습니다. Fibrous cap의 두께는 동맥경화반의 파열에 의한 2차적 질환의 발생과 밀접한 관련이 있어, ANGPTL4 투여에 의한 두께 변화의 기전을 연구하였습니다. Fibrous cap은 혈관평활근세포(vascular smooth muscle cell, VSMC)가 주된 성분이므로, 치료군과 비치료군의 동맥경화 병변의 세포 분포와 특성을 비교하였는데, 비치료군에서는 fibrous cap을 구성하는 VSMC가 적었고, 대신 변성된 대식세포인 거품 세포(foam cell)가 병변의 많은 부분을 차지하고 있었습니다. 동맥경화에서 대식세포는 동맥경화반 형성뿐만 아니라 안정성에도 영향을 미칩니다. 또한 콜레스테롤을 흡수하여 foam cell로 변성되는데, 이는 곧 동맥경화반의 주요 성분이 됩니다. 지속된 염증에 의하여 동맥경화반의 VSMC 특성이 변하게 되며, 또한 높은 농도의 지질에 장시간 노출되는 동안 콜레스테롤을 섭취하여 foam cell과 매우 유사하게 바뀌는데, 이때 VSMC의 KLF4 전사인자의 활성이 필수적인 요소입니다. ANGPTL4 치료는 VSMC의 KLF4 활성화를 억제하여 foam cell로의 변환과 활성산소 발생을 억제하여 본래의 세포 특성을 유지하도록 하였고, fibrous cap을 튼튼하고 안정적으로 형성함으로써 동맥경화증에 대한 예방 및 치료에 참여하였습니다 (그림 1). 이러한 세포 모델과 마우스 모델에서의 결과를 사람의 동맥경화병변에서 확인하였는데, 다양한 단계의 사람 관상동맥의 병변을 분석하여 동맥경화반의 두께에 따라 VSMC와 foam cell 사이의 세포 변환, 그리고 KLF4의 관여를 조직 염색으로 확인하였습니다. 즉, 고도로 악화된 사람의 동맥경화 병변에서 fibrous cap을 구성하는 VSMC는 현저하게 줄어들었고, 대신 foam cell이 대거 분포하였는데, 이때 KLF4의 발현 또한 현저하게 증가되어 있었습니다. 이러한 결과를 중개연구로 활용하기 위하여, 심근경색증으로 내원한 환자의 혈액을 분석한 결과, 혈중 ANGPTL4 농도가 낮을수록 심혈관질환 발생 위험이 높았고, 동맥경화반의 안정성이 낮았습니다.

3) 연구의 중요성 VSMC는 혈관의 탄성과 항상성 유지에 기여하는 중요한 세포인데, 동맥경화반은 나이가 들어감에따라 자연스럽게 생성이 되며, 병리적 환경에 의하여 그 변화가 가속됩니다. 보통 건강한 상태에서는 동맥경화반의 생성과 발전 단계에서 더 이상 악화되지 않도록 fibrous cap이 탄성을 유지하며 두꺼워져 동맥경화반이 더 커지거나 터지지 않도록 안정적으로 혈관벽에 가지고 있게 됩니다. 노화, 만성 염증, 그리고 고지질 환경 등에 의하여 동맥경화반이 악화되지만, 식이조절과 규칙적인 운동 등에 의하여 예방되거나 질환의 이환 속도는 현저히 줄어들 수 있습니다.

조직재생과 치유 활성이 뛰어난 인자를 이용하여 혈관벽의 탄성과 안정성을 유지시키면 동맥경화증과 같은 혈관질환뿐만 아니라 염증성 치료의 예방과 치료에도 크게 활용될 것으로 기대할 수 있습니다.

2. 심근 대식세포의 변환

1) 배경 심근경색증 후 심근세포는 급속도로 괴사하여 수축이완 기능에 이상을 초래하므로, 심장의 펌핑 기능을 유지하기 위한 보상작용으로 심근 벽의 보존과 혈관 복구 등이 신속하게 일어나야 합니다.

심장의 펌핑을 계속 유지시키기 위해서는 소실된 심근세포를 재빨리 대체할 다른 세포가 필요한데, 섬유아세포(fibroblast)가 주된 역할을 합니다.

건강한 상태에서는 resident fibroblast가 비활성화 상태로 존재하는데, 심근경색증과 같이 위급한 상황에서는 fibroblast가 myofibroblast로 분화됩니다. 이름에서 알 수 있듯이 myofibroblast는 어느 정도 수축능을 갖고, 분열과 이동성이 우수하며, 경색 부위로 신속하게 이동하여 심장의 수축과 이완을 유지시키는데, 이 과정이 섬유화(fibrosis)입니다. 만약 이러한 과정이 재빨리 일어나지 않는다면 심장은 파열될 수 있습니다.

즉 치유적 섬유화(reparative fibrosis)는 상처치유(wound healing)의 의미로 손상된 조직의 구조를 지지하여 기능 유지에 반드시 필요한 과정입니다.

적절한 복구 이후에는 myofibroblast의 역할이 마무리되어야 하는데, 보통 apoptosis로 사라지거나 matrifibrocyte라는 세포운 표현형의 세포로 전환되어 비활성화 상태로 됩니다.

그러나 과도한 염증의 지속 등 다양한 원인에 의하여 이러한 비활성화 상태가 되지 않는다면 필요 이상의 섬유화가 계속되어, 오히려 병리적 상태를 유도하는 pathologic fibrosis가 되어 조직의 리모델링과 심기능 저하를 초래하게 됩니다.

2) 연구 내용 NF-κB는 대표적인 염증반응 조절 인자인데, 최근 저희 연구에 의하면 이 중 하나인 IKKε (inhibitor of NF-κB kinase subunit epsilon)가 결손된 마우스(IKKε knockout mouse, IKKε KO)는 보통의 마우스보다 염증에 훨씬 취약하였습니다. 이 마우스는 심근경색에 의한 염증뿐만 아니라 심근 섬유화가 눈에 띄게 악화되어, 이러한 기전을 연구하기 시작하였습니다.

염증수치가 보통보다 지속적으로 높은 경우, 심근경색 후 fibrosis가 훨씬 악화되는데, 이때 대식세포가 직접적으로 섬유화에 가담할 수 있습니다. 손상조직을 메꾸는 과정에 fibroblast가 주로 관여하는데, 이는 resident fibroblast 외에 다양한 기원의 세포가 참여할 수 있는데, 대식세포도 포함됩니다. 이를 macrophage-myofibroblast transition (MMT)라고 합니다.

과도한 염증에 의한 섬유화의 증가 원인을 연구하기 위하여, 정상 마우스와 IKKε KO 마우스의 심장조직에서 세포를 분리하여 단일 세포 RNA 시퀀싱으로 심근대식세포를 비교하였습니다. 처음에는 대식세포의 표현형 변화에 초점을 맞추어 분석하였는데, 다각도로 분석하는 과정에서 매우 흥미로운 MMT를 발견하게 되었습니다. 이로부터 세포와 마우스 모델, 그리고 사람의 대식세포와 심장조직을 모두 활용하여 MMT의 존재를 확신하였습니다 (그림 2).

IKKε KO과 같은 과도한 염증 상태에서는 MMT 또한 과도해져서, 결과적으로 섬유화를 촉진시킬 수 있습니다. 이러한 비정상적으로 과도한 MMT를 제어한다면 심근 손상 또한 줄일 수 있을지 확인하고 싶었는데, 5-azacytidine (5AZA)이라는 약물을 활용하였습니다. 5AZA는 myelodysplatic syndrome의 치료제인데, 선행 연구를 통해 5AZA가 대식세포의 염증성을 억제하고 항염증성을 증가시켜, 심근경색증에 대한 치료 효과를 보였는데, 이 내용을 이미 보고한 바 있습니다. MMT 세포 모델에서 다양한 약물이나 치료활성제를 스크리닝 하였는데, 5AZA가 MMT를 억제하였고, 이를 마우스 모델에 적용해보기로 하였습니다.

MMT의 정상 마우스와 IKKε KO 마우스에 심근경색증을 유도하고, 이때 5AZA를 투여하였습니다. 5AZA의 투여는 정상 마우스의 심근 치유에 도움이 되었습니다. IKKε KO 마우스의 경우에는 식염수를 투여한 그룹에서는 여전히 MMT가 과도하게 높았는데, 5AZA를 투여한 그룹의 MMT 수준은 정상 마우스의 수준과 유사하게 되어있었습니다.

즉, 과도한 염증은 대식세포의 역할에도 중대한 부작용을 미칠 수 있으며, 이 과정에서 정상적인 조직의 치유가 방해되어 병리적 섬유화가 촉진될 수 있는데, 이 과정의 기전 중의 하나로 MMT의 중요성을 알 수 있었습니다. 더욱 흥미로운 점은 정상적 범위의 MMT를 유지시키는 것이 치료적 접근으로 활용될 수 있다는 점입니다 (그림 3).

3) 연구의 중요성 MMT는 주로 신장 섬유화에서 보고되어 섬유화의 가속 기전으로 보고되고 있는데, 심장의 경우 마우스에서 2019년도 마우스 심근경색증 모델에서, MMT의 존재가 보고되었습니다. 그러나 심근경색에 의한 MMT의 기전과 이를 표적으로 하는 성공적 치료적 접근, 그리고 사람 심장에서의 MMT를 확인한 연구는 저희가 최초로 보고하였습니다.

3. 조직의 항상성과 염증의 관계

다양한 질환 병변에서는 조직 회복을 위하여, 매우 역동적인 반응이 일어납니다. 일반적으로, 조직 내의 여러 종류의 세포들이 회복 과정을 개시하고 진행하기 위하여 세포 간 적절한 소통(cross-talk)이 단계별로 관여합니다. 새로운 혈관을 다시 만들고, 손상된 부위의 기능을 유지하도록 메꾸는 등의 과정에서 세포의 변환이 일어납니다. 즉, 일부의 세포가 원래의 상태(cell type identity)에서 벗어나 다른 세포의 상태로 변화하여 조직 회복을 위한 새로운 반응에 참여합니다.

예를 들면 혈류가 막혀 손상이 생기는 허혈성 심장조직에서 fibroblast가 혈관내피세포로 분화하여 혈관신생에 참여하여, 허혈성 손상으로부터의 회복을 촉진합니다. 심혈관질환뿐만 아니라 암, 염증성 질환 등의 미세환경의 변화에 따라 다양한 세포들이 분화, 부분 분화, 또는 변환이라는 과정을 거칩니다.

우리의 조직은 보통 항상성을 유지하다가, 질환이 발생하면 그 특성과 단계 등에 따라 세포의 변환을 통해 항상성 유지와 조직 치유 사이를 정교하게 제어하기 시작합니다.

손상된 심근의 신속한 wound healing을 위하여 fibroblast가 시기별로 적합한 형태의 세포로 분화와 활성화가 이어지는데, 이때 대식세포의 일부가 MMT라는 과정을 통해 wound healing/섬유화에 참여합니다. 이후 염증의 정도, 지속 시간, 그리고 빈도 등에 따라 reparative fibrosis가 되거나 pathologic fibrosis로 악화되는 것으로 추정됩니다.

조직의 항상성을 일정하게 유지하고, 외부 반응에 적절하게 대응하기 위하여 항상성의 일부분이 융통성 있는 범위 내에서 분화, 탈분화, 그리고 변환과 같은 과정을 허용합니다.

이러한 연구들은 병변 내 세포 타입에 따른 다양한 기능을 조절하여 심혈관질환의 예방과 치료에 새로운 접근법을 제시할 수 있습니다. 그러나 대부분의 연구가 아직 전임상 단계와 중개연구에서의 개념 확인 단계에 있어, 실제 임상 적용까지는 더 많은 연구와 검증이 필요합니다.

4. 맺음말

저희는 현재, 기초과학과 중개연구를 통해 염증과 섬유화에 의한 항상성의 변화 및 적응 반응을 연구하고 있습니다. 또한 줄기세포 치료기술 개발에서 출발한 재생연구는 사람의 심혈관 병변을 최대한 재현하기 위한 체외 모델 (organoids)을 개발하고 있습니다. 저는 전남대학교 안영근 교수님의 전폭적인 지원과 끊임없는 격려로 마음껏 연구해오고 있으며, 특히 전남대학교병원 세포재생센터의 박사님들과 연구원 선생님들은 우리 연구를 위한 가장 소중한 재원입니다.

부족하지만 저희 연구를 소개할 수 있는 영광스러운 자리를 주신 대한내분비학회 관계자 여러분들께 진심으로 감사드립니다.