안전성평가연구원

폐 오가노이드를 활용한 독성 평가로 ‘대체 독성 연구’ 가속화 한다. - 호흡기세포융합 바이러스 감염 기저질환 모사 모델에서 PHMG-p 영향 규명 -

□ 인간 줄기세포 유래 폐 오가노이드(인공장기)를 활용한 호흡기 감염병 기저질환 모사 모델의 화학물질 독성 평가를 통해 동물모델을 대체하는 독성 연구가 가속화될 전망이다.

□ 안전성평가연구소(KIT)는 동물실험에 대한 규제가 강화됨에 따라 실험동물 대체 모델과 신약 및 화학물질에 대한 인체 독성 예측을 목표로 다양한 첨단 대체독성 평가기술을 개발하고 있다.

□ 해당 연구는 충남대학교 김기광 교수 연구팀과 함께 공동 연구한 결과로, 폐 오가노이드를 활용한 호흡기 감염병 기저질환 모사 모델을 구현한 뒤 호흡기 질환과 상관성 규명 연구가 진행되고 있는 ‘구아디닌 계열의 화학물질인 PHMG-p’에 대해 스트레스 과립 형성 여부를 연구하였다.

□ 본 연구는 다양한 스트레스 상황에 놓인 세포에서‘스트레스 과립’이라는 세포 내 응집체(RNA와 RNA 결합 단백질)가 가역적으로 형성된다는 원리를 바탕으로 기저질환에서의 유해화학물질에 대한 인체 폐 독성 야기 기전을 규명하였다.

□ 스트레스 과립은 세포가 다양한 스트레스 상황에서 세포 생존을 위한 방어 기작의 하나로 생성하게 되는데 스트레스가 제거되면 스트레스 과립은 없어지게 되지만 지속적인 스트레스 상황에서는 세포 사멸로 이어지게 된다.

□ 해당 연구를 위해 호흡기세포 융합 바이러스를 노출 시킨 기저질환 모사 모델인 ①인간 폐 오가노이드와 ②인간 기관지 상피세포(BEAS-2B)에 PHMG-p를 각각 처리하였으며 두 연구 모델에서 스트레스 과립이 모두 증가하는 것을 확인하였다.

□ 특히, 인간 폐 오가노이드에서 단백질 인산화효소 R(PKR)이 활성화 되었으며, 이를 통해 세포 내 단백질이 합성되는 과정에서 결정적인 역할을 하는 elF2ɑ의 인산화가 증가됨에 따라 단백질 합성을 방지하여 스트레스 과립이 증가됨을 알 수 있다.

□ 또한 호흡기세포 융합 바이러스 감염 인간 폐 오가노이드에서 PHMG-p의 노출로 DNA 손상 마커(γ-H2AX)와 섬유화 관련 마커(ɑ-SMA)가 유의하게 증가하는 것을 확인하였다.

□ 이러한 연구 결과는 호흡기 감염 기저질환이 유도된 폐 오가노이드에서 PHMG-p 노출이 스트레스 과립을 증가시킴으로서 세포 손상을 야기한다는 것을 확인함으로서 호흡기 감염병과 PHMG-p의 상관성을 파악할 수 있다.

□ 이번 연구는 ‘인간 줄기세포 유래 폐 오가노이드’ 대체 모델을 활용한 연구로써, 암세포주 활용으로 인체의 정상적인 생리학적 특성 반영이 어려운 기존 in vitro 독성평가의 한계점을 극복하였다는 점에서 의미가 있다.

□ KIT 예측독성연구본부 김은미 박사는 “해당 연구 결과로 환경 유해 인자 및 유해화학물질에 대한 독성평가는 물론, 호흡기 감염병 등 기저질환자의 인체 유해성 기전 연구와 다양한 호흡기 질환 치료제 개발용 모델에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.” 라고 말했다.

□ 향후 연구팀은 인간 줄기세포 유래 폐 오가노이드 모델을 활용한 스트레스 과립 형성 모니터링 시스템 구축을 통해 환경 유해 인자 및 유해화학물질의 독성 평가를 계속해서 수행해나갈 계획이다.

□ 한편, 해당 연구는 환경부 생활공감 환경보건기술개발사업의 ‘CT 영상 기술 기반 환경성 폐 질환 평가를 위한 줄기세포 유래 3D 폐 오가노이드(미니장기) 모델 개발’ 과제 등의 연구 결과로 국제학술지‘Ecotoxicology and Environmental Safety’에 2022년 1월에 게재되었다.

※ 논문명 : Polyhexamethylene guanidine phosphate increases stress granule formation in human 3D lung organoids under respiratory syncytial virus infection

- 제 1저자 : 최세리(안전성평가연구소), 최선경(충남대학교)

- 교신저자 : 김기광(충남대학교), 김은미(안전성평가연구소)

※ 용어설명 ※

＊PHMG-P는 가습기 살균제 용도로 사용되었던 성분으로 살균제나 부패방지제로 흔히 사용되는 구아디닌 계열의 화학물질로 피부접촉이나 섭취 시 독성이 다른 살균제에 비해 5∼10분의 1 정도이며 살균력이 뛰어나고 물에 잘 녹는다.

* PKR(protein kinase R) : mRNA 번역, 세포 사멸 등 세포의 다양한 과정의 주요 조절자로 알려져 있고, 바이러스 감염에 대하여 세포를 보호하는 역할도 한다.

* γ-H2AX(gamma-H2A histone family member X) : 히스톤 단백질인 H2AX의 Ser-139 잔기가 인산화 된 형태로, DNA 손상 표지 중 하나임.

* 섬유화 : 섬유질 결합조직이 과다하게 누적되어 조직이 굳어지는 증상