글: ㈜파이안바이오테크놀로지 강영철 박사

생명의 유지를 위한 에너지의 필요성과 세포의 발전소 ‘미토콘드리아’

생명은 생장하며, 생리적 활동과 물질대사, 외부환경의 변화에 적응하기 위한 반응, 종의 유지를 위한 생식과 유전으로 정의됩니다. 생명을 유지하는 모든 현상들에서 에너지가 사용되기 때문에 에너지는 생명 유지에 필수적입니다. 

생물체의 최소 단위인 세포가 사용하는 에너지 형태는 ATP(아데노신삼인산)입니다. ATP는 미토콘드리아 내막 내 효소에 의해 산화적 인산화 과정을 통해 생성됩니다. 이러한 특징 때문에 미토콘드리아는‘세포의 발전소’로 불립니다.

미토콘드리아의 구조적 특징과 세포 내 기능

미토콘드리아의 기원은 ‘세포공생설’에 따라 약 30 억 년 전 호기성 α-protobacteria가 과거의 진핵 세포에게 삼켜진 것으로 알려져 있습니다. 진화의 과정을 통해서 현재의 구조적 특징과 다양한  기능을 가지게 되었습니다. 미토콘드리아는 세포 내에서 100개 이상 존재하는 것으로 알려져 있으며, 에너지 요구가 높은 신경계, 근골격계, 간 등에서 더 많은 수가 발견됩니다.

[미토콘드리아 구조]

미토콘드리아는 세포막과 유사한 형태의 인지질 이중층인 외막과 내막으로 이루어져 있습니다. 내막 내 공간은 기질(matrix)로 불립니다. 내막은 기질 방향으로 접혀 크리스테(crista)라는 돌출 구조를 형성하며, 기질 내에는 미토콘드리아 유전체(mtDNA)를 보유하고 있습니다.

[미토콘드리아 기능]

미토콘드리아의 기본적인 기능은 해당과정(당을 분해하는 과정), 지방산 대사 등을 통한 물질대사를 통해 형성된 대사물질들을 이용하여 TCA 회로 및 산화적 인산화를 통해 ATP를 합성하는 것입니다. 이 과정에서 생성된 대사물질과 활성산소는 세포 내 항상성 유지와 신호전달에 사용됩니다. 미토콘드리아는 세포 내 환경 변화에 따라 미토콘드리아 생합성을 조절하거나, 융합-분열(Fusion-fission) 하여 항상성을 유지하고 있습니다. 또한 활성산소 조절 시스템(SOD, Catalase, GSH 등)을 통해 ATP 합성과정에서 발생하는 부산물인 전위차 및 활성산소를 조절하고, Mitophagy를 통해 손상된 미토콘드리아의 부위를 제거합니다.

하지만 한계치 이상의 손상 누적은 미토콘드리아로부터 DAMPs(Damage Associated Molecular Patterns)와 Cytochrom C의 유출을 증가시켜 염증과 세포사멸을 유도합니다.

다양한 질환을 유발하는 미토콘드리아 손상: 선천적 원인과 후천적 원인

미토콘드리아의 손상은 선천적인 원인과 후천적인 원인에 의해서 발생합니다. 선천적 원인으로는 mtDNA 점돌연변이에 의해 발생하는 LHON, 리증후군, MELAS 등이 있으며, 발작, 근육 이상, 안근마비로 인한 눈질환, 유사 뇌졸중, 소화계 이상 등의 병리적 특징을 보입니다. 현재까지 치료제가 없는 경우가 많으며, mtDNA 외에도 nDNA 돌연변이에 의한 단백질 이상도 질병 원인으로 알려져 있습니다.

후천적 원인으로는 농약, 화학물질, 환경오염 등에 의한 노출이 미토콘드리아 손상을 유발하여 파킨슨, 알츠하이머, 비만, 당뇨, 근력 감소, 노화와 같은 질환의 발병 원인으로 작용합니다.

미토콘드리아의 손상을 회복하기 위한 다양한 치료전략

손상된 미토콘드리아에서 발견되는 mtDNA의 돌연변이, nDNA 돌연변이, 미토콘드리아 특이적 효소의 감소, 산화적 인산화 감소, 미토콘드리아의 양적 감소, 대사작용의 이상, 활성산소의 과도한 증가, ATP의 결핍, 세포내 이온의 불균형을 회복하기 위한 다양한 치료제 연구들이 진행되고 있습니다.

[저분자 화합물]

항산화제, 비타민, 효소의 전구체 및 효소, NAD 전구체, apoptosis 억제재, Mitophagy 강화제와 같은 단일기전의 치료제가 개발되어 왔으나, 미토콘드리아의 구조적 특징에 의해 약물 전달 효율이 낮고, 미토콘드리아의 손상으로 발생하는 단편적 증상 개선만으로는 근본적인 치료가 어렵다는 한계가 있습니다.

[저분자 화합물-미토콘드리아 약물 전달체 기술]

저분자 화합물의 약효를 높이기 위해 Chemical moiety (TPP, Rhodamine 등), Peptide (Mitochondria targeting sequence), 리포좀, 나노파티클을 연결하는 전략에 대한 연구들이 진행되고 있습니다.

[유전자 치료제, Gene therapy]

미토콘드리아 유전자 돌연변이 교정을 위한 치료제가 개발 중에 있으나 미토콘드리아 구조특이성에 의한 약물 전달 효율 감소와 미토콘드리아 유전체의 높은 GC content, off target effect가 존재하여 이에 대한 개발 연구가 진행 중입니다.

[미토콘드리아 강화 세포 치료제, Cell therapy]

미토콘드리아 유전자 질환인 피어슨병의 환자의 혈액, 골수에서 분리한 조혈모세포를 배양한 후, 환자의 정상인 모계 가족으로부터 분리한 미토콘드리아를 처리하여, 이를 강화한 조혈모세포를 환자에게 이식하는 방법입니다. 이 임상을 통해 피어슨병에 대한 일부 치료 효과를 확인하였습니다.

[미토콘드리아 이식 치료제, Mito therapy]

정상미토콘드리아를 손상된 조직에 이식하여 질병을 회복하기 위한 치료전략으로서 현재까지 다양한 전임상 연구가 진행 중에 있습니다. 국내에서는 ㈜파이안바이오테크놀로지가 세계 최초로 다발성 근염/피부 근염에서 동종 미토콘드리아를 이용하여 임상을 종료하였고, 미국의 Boston Children's Hospital에서 허혈성 심질환허혈성 임상이 진행 중이며, 미국의 harborview medical center에서 뇌졸증에 대한 임상을 진행 중에 있습니다.

MitoTherapy 원리: 손상 세포의 구조요청과 미토콘드리아의 세포-세포 간 이동

정상 미토콘드리아가 손상된 세포로 이동하여 재생을 돕는 생리학적 현상은 여러 연구에서 관찰되었습니다. 이는 줄기세포, 수지상 세포, 혈소판 또는 연접한 세포들이 구조신호를 인지하여 손상된 세포에 미토콘드리아를 전달하는 과정으로 이루어집니다. 이러한 이동은 TNT(Thin Nano Tube), GAP junction, EV(Extracellular Vesicles) 등을 통해 발생하거나 미토콘드리아 자체가 전달되며, 정상세포보다 질환 세포로의 미토콘드리아 이동 빈도가 더 높은 것으로 확인되었습니다. 연구에 따르면, 손상된 세포는 미토콘드리아 기능 회복과 조직 재생을 목표로 구조신호를 보내며, 수여 세포내로 이동한 미토콘드리아는 손상된 미토콘드리아의 기능을 대체하고 세포의 생존율을 회복시키는 등 다양한 질병 모델에서의 치료 효과가 증명되었습니다. 

질병에서 발생하는 미토콘드리아의 손상을 회복하기 위한 방법으로서 미토콘드리아의 세포간 이동능력을 활용하여, 건강한 미토콘드리아 자체를 질병 세포로 전달함으로 손상된 미토콘드리아를 대체하고 회복하는 것이 Mitotherapy의 핵심 원리입니다. 

[줄기세포치료제의 질병 치료기전: 미토콘드리아의 세포-세포간 이동]

체내에서 조직 및 세포를 재생하기 위해 줄기세포 치료제의 질병회복 기전으로서, 질병 부위로 이동한 줄기세포가 건강한 미토콘드리아를 질병 부위로 전달하는 현상이 밝혀졌습니다. 실제로 분리한 미토콘드리아와 미토콘드리아를 강화시킨 줄기세포치료제를 하지허혈 모델에 적용한 결과, 미토콘드리아의 질병 치료효과가 가장 뛰어났습니다. 이는 체내로 투여된 미토콘드리아가 질병조직으로의 전달 속도와 효율이 높기 때문인 것으로 분석됩니다.

미토콘드리아의 세포 내 이동 특성을 이용한 치료제 개발

[미토콘드리아 이식 치료제인 PN-101의 개발, ㈜파이안바이오테크놀로지]

미토콘드리아 이식을 치료 전략으로 채택한 여러 회사들이 설립되고 있지만, 세포 소기관인 미토콘드리아는 조직 및 세포의 에너지 요구에 따라 그 수와 활성이 다르고, 분리 이후 감소하는 활성을 조절하는 기술이 필요하기 때문에 약제화하기 위한 다양한 문제점이 있습니다. 

㈜파이안바이오테크놀로지에서는 미토콘드리아를 분리하기 위한 원료세포로 줄기세포를 선정하고 미토콘드리아의 손상을 최소화하기 위한 공정화된 분리방법을 구축하였습니다. 이를 통해 분리된 미토콘드리아를 안정화하기 위한 주사용 제형을 개발하여 임상적으로 적용 가능한 PN-101을 개발하였습니다. 

세계최초 미토콘드리아 이식 치료제 (PN-101) 임상을 통해 다발성 근염과 피부근염에서의 치료 효과 증명

다발성근염(polymyositis)과 피부근염(dermatomyositis)은 발병의 원인이 밝혀지지 않은 자가면역질환입니다. 근력 약화가 주요 증상이며, 근육 및 혈액에서 염증성 사이토카인이 증가하고, 근육 내 면역세포의 침윤으로 근육기능이 약화되고 통증을 유발하며, 미토콘드리아 손상이 발생 되어 점차 근력 약화, 근육 소실을 유발하는 질환입니다. 기존 치료제인 스테로이드 및 면역억제제의 장기투여는 근원적인 치료법인 아닌 대증치료로 장기 투약 시 부작용을 유발합니다. 

PN-101은 손상된 미토콘드리아를 표적으로 하는 최초의 치료제로, 환자 세포 및 동물 모델에서 PN-101의 분포와 효능을 확인했습니다. PN-101은 증가한 염증을 억제하고, 근육 재생 및 미토콘드리아를 회복하는 기전을 보유하고 있으며, 이에 대한 안전성을 입증한 후 임상 1/2a를 진행하였습니다. 임상의 유효성을 평가하기 위하여 근염의 질병 정도를 측정하는 IMACS-TIS 지표를 통하여 질환이 회복되는 것을 확인하여 치료 효과를 증명하였으며, 중대한 약물 이상 반응이 나타나지 않아 PN-101에 대한 안전성을 확인하였습니다. 이는 동종 미토콘드리아를 활용한 세계 최초의 상업 임상 사례입니다.

PN-101을 이용한 미토콘드리아 질환에 적용

임상적으로 질병 회복효과가 확인된 PN-101은 미토콘드리아의 손상이 발생하는 다양한 질환에서 적용이 가능할 것으로 예상됩니다. 염증성 질환, 파킨슨병, 난청 등 다양한 질환에서 PN-101의 치료 효과가 확인되었으며, 해당 연구 결과는 학술 논문으로 발표되었습니다. 또한 청력저하, 안질환과 같은 미토콘드리아 손상이 발생하는 질환에서 효능 연구가 진행 중입니다. 이처럼 치료제가 없고 미토콘드리아 손상이 발생하는 질환에서, PN-101을 이용한 치료법이 이를 대체할 수 있기를 기대하고 있습니다. 더 나아가 PN-101은 선천적 미토콘드리아 질환의 치료에도 적용될 수 있습니다. 미토콘드리아 유전자 변이 또는 결핍이 있는 환자에게 정상적인 미토콘드리아 유전체를 전달함으로써 생명과 삶의 질 향상에 기여할 수 있기를 희망합니다.