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한국실험동물학회 뉴스레터	2020년 3월
[질환모델동물] 마우스 모델을 이용한 저선량 방사선 인체 영향연구

윤부현 교수 부산대학교 생명과학과 [bhyoun72@pusan.ac.kr] http://biochemistry.pusan.ac.kr/ 저선량 방사선(Low dose Radiation, LDR)은 심각한 DNA 손상을 일으키지 않는 범위에 해당하는 선량으로 정의되며, 우리나라를 포함한 다양한 국가의 규정과 연구에서 100 mGy 이하의 방사선량을 LDR로 정하고 있다. CT를 비롯한 의료 검사 과정, 원자력 산업 종사, 또는 원자력 사고 이후 사고 지역 출입을 통해 LDR에 노출될 수 있으며, 이에 따라 많은 연구에서 LDR이 인체에 미치는 영향을 파악하기 위해 마우스 모델을 이용하여 LDR에 의해 일어나는 생물학적 변화를 나타내고 있음을 보고하고 있다. 마우스는 유전적 연관성과 생물학적 영향연구 용이성 등의 장점으로 인해 방사선 연구에 폭넓게 활용되는 실험동물이다. 본 글에서는 LDR에 의해 나타나는 생물학적 영향과 관련된 마우스 모델을 활용한 연구들을 정리해보고자 한다. [그림 1] Ki-rasG12C 마우스를 통한 폐암 연구 2017년 국가암등록통계에 따르면 폐암은 위, 대장에 이어서 많이 발생하는 암종이며 특히 65세 이상의 경우 발생분율이 가장 높고 5년 생존율은 췌장암 다음으로 가장 낮은 암이다. 폐암과 관련된 연구에서도 마우스 모델이 사용되는데, 한 연구에서 CT 촬영 정도의 낮은 선량이 폐암을 유발할 수 있는지 확인하기 위해 Ki-ras^G12C를 발현하는 폐암에 걸리기 쉬운 마우스 모델을 활용했다 [1]. 이 연구에서 쓰인 두 이식유전자를 가진 CCSP-rtTA/Ki-ras mice는 FVB/N에서 유래했고, doxycycline에 의해서 폐에 특이적으로 유도되어 Ki-ras^G12C를 발현시키는 마우스이다. 결과에서 Ki-ras^G12C를 발현하는 마우스에서는 LDR에 노출될 때, 암이 생성된 개체가 더 많아짐을 확인했다 [그림 1]. 이를 통해 LDR이 폐암의 발생에 어느 정도 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. [그림 2] TRAMP 마우스를 통한 전립선암 연구 전립선은 남성에게만 있는 장기로 정액의 일부를 생산하는 역할을 한다. 국내에서 전립선암은 남성에서 발병률 4위를 차지하는 암종임에도 불구하고, LDR에 의한 전립선암 발병 메커니즘에 대한 생물학적 이해는 부족한 상황이다. 전립선암 연구에 사용되는 마우스 모델은 Transgenic Adenocarcinoma of the Mouse Prostate (TRAMP) 모델로, TRAMP 모델은 기존 모델과 다르게 일정하고 자발적으로 전립선암을 발생시킬 수 있다. 해당 모델에서는 종양 단백질 SV40 T 항원 (TAg)의 발현에 의해 암이 유도되며, 이때 TAg 발현은 안드로젠에 의해 유도되어 발달적으로 조절될 수 있다. 이와 관련하여, TRAMP 마우스 모델에서 전립선암은 안드로젠이 없어지면 일시적으로 퇴행하지만, 결과적으로 사람에서 일반적으로 관찰되는 안드로젠 비의존성 전립선암의 발생과 마찬가지로 마우스에서 높은 비율로 재발한다 [2]. 해당 연구에서는 TRAMP model에 고선량(2 Gy)과 저선량(50 mGy)의 방사선을 쐬어주었을 때 전립선에서 생기는 변화를 확인하였다. 결론적으로 전립선에서 높고 낮은 방사선에 의한 유의미한 변화가 관찰되지 않았다 [3] [그림2]. 이는 TRAMP 모델에서는 암 발생의 조절이 방사선에 의해 영향을 크게 받지 않음을 의미하고, 방사선 영향연구에 있어서 추가적인 전립선 마우스 모델의 설립이 필요함을 시사하였다. 최근 급속한 인구 고령화로 노인 질환에 관한 연구가 활성을 띠고 있다. 노인 질환 중에서도 치매는 지난 수년 동안 활발한 연구가 이뤄지고 있는 분야이다. 특히 치매 중에서도 알츠하이머 치매는 국내 노인 인구 10명 중 1명이 겪을 정도로 흔한 질병이라고 할 수 있다. 알츠하이머 연구에서 사용될 수 있는 마우스 모델 중 하나는 ApoE 결핍 마우스로, ApoE는 지단백질 대사에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있으며, 베타아밀로이드가 뇌 안에 너무 많이 또는 제대로 제거되지 못해 쌓이면서 뇌세포를 파괴하여 알츠하이머를 유도시키는 마우스 모델이다. 해당 연구는 만성적인 방사선 노출이 해마에서 인산화체의 어떤 변화를 유도하는지에 대한 연구이다. 만성적으로 300일 동안 1 mGy와 20 mGy를 매일 조사해주었을 때의 생체 내 영향을 분석하기 위해 ApoE 결핍 마우스를 사용하였다 [4]. 해당 연구에서 쓰인 ApoE 결핍 마우스는 8주령의 암컷 C57BL/6 마우스로, B6.129P2-ApoE^tml/Unc/J mice이다. 방사선에 의해 일어나는 인산화체의 변화는 시냅스 가소성, 칼슘 의존적 신호 전달, 그리고 뇌 대사의 조절과 연관이 있다. 방사선에 의한 자세한 신호와 분자의 변화는 그림 3에서 소개하였다. 이는 만성적인 LDR에 의해 나타나는 생체 내 변화로 신경 퇴행성 질환이 일어날 수 있음을 시사한다. [그림 3] ApoE 결핍 마우스를 통한 알츠하이머 및 죽상동맥경화증 연구 또 다른 마우스 연구 활용 사례는 죽상동맥경화증이다. 죽상동맥경화증(atherosclerosis)은 혈관의 가장 안쪽 막인 내피에 콜레스테롤 침착이 일어나고 혈관 내피세포의 증식이 일어나 혈관이 좁아지거나 막히게 되어 그 혈관이 말초로의 혈류 장애를 일으키는 질환이다. 이로 인해 수축기 고혈압이 초래되어 심장 근육이 두꺼워지는 심장비대 현상이 나타나는 등의 증상으로 인해 사망까지 이를 수 있는 질환이다. 이러한 죽상동맥경화증에 대해 LDR을 활용한 연구에서 LDR 노출 후에 심장의 조직 손상이 심화됨을 확인하였다 [5]. 본 죽상동맥경화증 연구에서 사용된 마우스 모델인 ApoE-/- (B6.129P2-ApoE^tml/Unc/J) female mice는 C57BL/6J mice에서 유래한 기능적인 ApoE gene에 대한 비기능적 동형 돌연변이를 유도한 모델이다. ApoE-/- mice에서 LDR에 의해 생기는 변화는 그림 3에 자세히 명시하였다. ApoE-/- 마우스 모델을 통해 LDR의 영향으로 예상되는 매우 작은 염증성 또는 혈전 과정을 탐지하는 등의 연구 결과를 얻을 수 있었다. LDR이 특정 질환이 아닌 유전적 문제를 일으킬 수 있다는 연구 또한 존재한다. LDR에 반복적으로 노출되면 대뇌 피질 뉴런에서 DNA 손상이 축적된다는 연구가 있다 [6]. 해당 연구에서는 쥐에서 방사선이나 자외선에 의한 이중 나선 손상에 반응하여 신호가 활성화되는 serine/threonine protein kinase인 ATM에 대한 변이형 마우스 (129S6/SvEvTac-Atm^tm1Awb/J)를 활용했다. 연구에 활용한 마우스는 ATM^tm1Awb/+와 ATM^tm1Awb/+ 마우스를 교배해서 얻었으며, SCID (CB17/Icr-prkdc^scid/Rj) 마우스와 C57BL/6 (C57BL/6NCrl) 마우스를 실험에 활용했다. 결론적으로 LDR에 노출된 마우스의 대뇌 피질 뉴런에서의 전자 현미경 이미지를 분석함으로써 방사선 노출이 누적될수록 DNA 손상이 누적된다는 결과를 얻었다. 자세한 결과는 그림4에 명시하였다. [그림 5] ATM 마우스와 SCID, C57BL/6 마우스를 통한 DNA repair에 LDR이 미치는 영향 연구 최근 원자력 발전소 사고로 인해 국내 역시 LDR의 인체 위해도에 관한 관심이 증대되고 있으며 case report뿐 아니라 마우스 모델을 이용한 메커니즘 연구 역시 활발히 시도되고 있다. 본 글과 그림에 정리된 바와 같이, LDR의 인체에 미치는 영향에 대해서 명확한 결론을 내릴 수 없는 상황이다. 그러므로 LDR이 인체에 미치는 영향에 관한 추가적인 연구가 필요한 상황이며, 향후 축적된 연구 결과를 바탕으로 최종적으로 LDR에 의한 인체 영향 평가 기준 및 질환을 반영할 수 있는 적절한 실험 동물모델의 확립이 필요할 것으로 보인다. [참고문헌] [1] Munley MT1, Moore JE, Walb MC, Isom SP, Olson JD, Zora JG, Kock ND, Wheeler KT, Miller MS, Cancer-prone mice expressing the Ki-rasG12C gene show increased lung carcinogenesis after CT screening exposures, Radiat Res. 2011 Dec;176(6):842-8. [2] Hurwitz, A. A., Foster, B. A., Allison, J. P., Greenberg, N. M., & Kwon, E. D. (2001). The TRAMP mouse as a model for prostate cancer. Current protocols in immunology, 45(1), 20-5. [3] Lawrence, M. D., Ormsby, R. J., Blyth, B. J., Bezak, E., England, G., Newman, M. R., ... & Sykes, P. J. (2013). Lack of high-dose radiation mediated prostate cancer promotion and low-dose radiation adaptive response in the TRAMP mouse model. Radiation research, 180(4), 376-388. [4] Kempf, S. J., Janik, D., Barjaktarovic, Z., Braga-Tanaka III, I., Tanaka, S., Neff, F., ... & Tapio, S. (2016). Chronic low-dose-rate ionising radiation affects the hippocampal phosphoproteome in the ApoE−/− Alzheimer's mouse model. Oncotarget, 7(44), 71817. [5] D. Mathias, R.E.J. Mitchel, M. Barclay, H. Wyatt, M. Bugden, N.D. Priest, S.C. Whitman, M. Scholz, G. Hildebrandt, M. Kamprad, A. Glasow, Low-dose irradiation affects expression of inflammatory markers in the heart of ApoE -/- mice, PLoS One, 10 (2015) e0119661-e0119661. [6] Lorat, Y., Schanz, S., & Rübe, C. E. (2016). Ultrastructural insights into the biological significance of persisting DNA damage foci after low doses of ionizing radiation. Clinical Cancer Research, 22(21), 5300-5311.

윤부현 교수

부산대학교 생명과학과 [bhyoun72@pusan.ac.kr]
http://biochemistry.pusan.ac.kr/

저선량 방사선(Low dose Radiation, LDR)은 심각한 DNA 손상을 일으키지 않는 범위에 해당하는 선량으로 정의되며, 우리나라를 포함한 다양한 국가의 규정과 연구에서 100 mGy 이하의 방사선량을 LDR로 정하고 있다. CT를 비롯한 의료 검사 과정, 원자력 산업 종사, 또는 원자력 사고 이후 사고 지역 출입을 통해 LDR에 노출될 수 있으며, 이에 따라 많은 연구에서 LDR이 인체에 미치는 영향을 파악하기 위해 마우스 모델을 이용하여 LDR에 의해 일어나는 생물학적 변화를 나타내고 있음을 보고하고 있다. 마우스는 유전적 연관성과 생물학적 영향연구 용이성 등의 장점으로 인해 방사선 연구에 폭넓게 활용되는 실험동물이다. 본 글에서는 LDR에 의해 나타나는 생물학적 영향과 관련된 마우스 모델을 활용한 연구들을 정리해보고자 한다.

[그림 1] Ki-rasG12C 마우스를 통한 폐암 연구

2017년 국가암등록통계에 따르면 폐암은 위, 대장에 이어서 많이 발생하는 암종이며 특히 65세 이상의 경우 발생분율이 가장 높고 5년 생존율은 췌장암 다음으로 가장 낮은 암이다. 폐암과 관련된 연구에서도 마우스 모델이 사용되는데, 한 연구에서 CT 촬영 정도의 낮은 선량이 폐암을 유발할 수 있는지 확인하기 위해 Ki-ras^G12C를 발현하는 폐암에 걸리기 쉬운 마우스 모델을 활용했다 [1]. 이 연구에서 쓰인 두 이식유전자를 가진 CCSP-rtTA/Ki-ras mice는 FVB/N에서 유래했고, doxycycline에 의해서 폐에 특이적으로 유도되어 Ki-ras^G12C를 발현시키는 마우스이다. 결과에서 Ki-ras^G12C를 발현하는 마우스에서는 LDR에 노출될 때, 암이 생성된 개체가 더 많아짐을 확인했다 [그림 1]. 이를 통해 LDR이 폐암의 발생에 어느 정도 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.

[그림 2] TRAMP 마우스를 통한 전립선암 연구

전립선은 남성에게만 있는 장기로 정액의 일부를 생산하는 역할을 한다. 국내에서 전립선암은 남성에서 발병률 4위를 차지하는 암종임에도 불구하고, LDR에 의한 전립선암 발병 메커니즘에 대한 생물학적 이해는 부족한 상황이다. 전립선암 연구에 사용되는 마우스 모델은 Transgenic Adenocarcinoma of the Mouse Prostate (TRAMP) 모델로, TRAMP 모델은 기존 모델과 다르게 일정하고 자발적으로 전립선암을 발생시킬 수 있다. 해당 모델에서는 종양 단백질 SV40 T 항원 (TAg)의 발현에 의해 암이 유도되며, 이때 TAg 발현은 안드로젠에 의해 유도되어 발달적으로 조절될 수 있다. 이와 관련하여, TRAMP 마우스 모델에서 전립선암은 안드로젠이 없어지면 일시적으로 퇴행하지만, 결과적으로 사람에서 일반적으로 관찰되는 안드로젠 비의존성 전립선암의 발생과 마찬가지로 마우스에서 높은 비율로 재발한다 [2]. 해당 연구에서는 TRAMP model에 고선량(2 Gy)과 저선량(50 mGy)의 방사선을 쐬어주었을 때 전립선에서 생기는 변화를 확인하였다. 결론적으로 전립선에서 높고 낮은 방사선에 의한 유의미한 변화가 관찰되지 않았다 [3] [그림2]. 이는 TRAMP 모델에서는 암 발생의 조절이 방사선에 의해 영향을 크게 받지 않음을 의미하고, 방사선 영향연구에 있어서 추가적인 전립선 마우스 모델의 설립이 필요함을 시사하였다.

최근 급속한 인구 고령화로 노인 질환에 관한 연구가 활성을 띠고 있다. 노인 질환 중에서도 치매는 지난 수년 동안 활발한 연구가 이뤄지고 있는 분야이다. 특히 치매 중에서도 알츠하이머 치매는 국내 노인 인구 10명 중 1명이 겪을 정도로 흔한 질병이라고 할 수 있다. 알츠하이머 연구에서 사용될 수 있는 마우스 모델 중 하나는 ApoE 결핍 마우스로, ApoE는 지단백질 대사에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있으며, 베타아밀로이드가 뇌 안에 너무 많이 또는 제대로 제거되지 못해 쌓이면서 뇌세포를 파괴하여 알츠하이머를 유도시키는 마우스 모델이다. 해당 연구는 만성적인 방사선 노출이 해마에서 인산화체의 어떤 변화를 유도하는지에 대한 연구이다. 만성적으로 300일 동안 1 mGy와 20 mGy를 매일 조사해주었을 때의 생체 내 영향을 분석하기 위해 ApoE 결핍 마우스를 사용하였다 [4]. 해당 연구에서 쓰인 ApoE 결핍 마우스는 8주령의 암컷 C57BL/6 마우스로, B6.129P2-ApoE^tml/Unc/J mice이다. 방사선에 의해 일어나는 인산화체의 변화는 시냅스 가소성, 칼슘 의존적 신호 전달, 그리고 뇌 대사의 조절과 연관이 있다. 방사선에 의한 자세한 신호와 분자의 변화는 그림 3에서 소개하였다. 이는 만성적인 LDR에 의해 나타나는 생체 내 변화로 신경 퇴행성 질환이 일어날 수 있음을 시사한다.

[그림 3] ApoE 결핍 마우스를 통한 알츠하이머 및 죽상동맥경화증 연구

또 다른 마우스 연구 활용 사례는 죽상동맥경화증이다. 죽상동맥경화증(atherosclerosis)은 혈관의 가장 안쪽 막인 내피에 콜레스테롤 침착이 일어나고 혈관 내피세포의 증식이 일어나 혈관이 좁아지거나 막히게 되어 그 혈관이 말초로의 혈류 장애를 일으키는 질환이다. 이로 인해 수축기 고혈압이 초래되어 심장 근육이 두꺼워지는 심장비대 현상이 나타나는 등의 증상으로 인해 사망까지 이를 수 있는 질환이다. 이러한 죽상동맥경화증에 대해 LDR을 활용한 연구에서 LDR 노출 후에 심장의 조직 손상이 심화됨을 확인하였다 [5]. 본 죽상동맥경화증 연구에서 사용된 마우스 모델인 ApoE-/- (B6.129P2-ApoE^tml/Unc/J) female mice는 C57BL/6J mice에서 유래한 기능적인 ApoE gene에 대한 비기능적 동형 돌연변이를 유도한 모델이다. ApoE-/- mice에서 LDR에 의해 생기는 변화는 그림 3에 자세히 명시하였다. ApoE-/- 마우스 모델을 통해 LDR의 영향으로 예상되는 매우 작은 염증성 또는 혈전 과정을 탐지하는 등의 연구 결과를 얻을 수 있었다.

LDR이 특정 질환이 아닌 유전적 문제를 일으킬 수 있다는 연구 또한 존재한다. LDR에 반복적으로 노출되면 대뇌 피질 뉴런에서 DNA 손상이 축적된다는 연구가 있다 [6]. 해당 연구에서는 쥐에서 방사선이나 자외선에 의한 이중 나선 손상에 반응하여 신호가 활성화되는 serine/threonine protein kinase인 ATM에 대한 변이형 마우스 (129S6/SvEvTac-Atm^tm1Awb/J)를 활용했다. 연구에 활용한 마우스는 ATM^tm1Awb/+와 ATM^tm1Awb/+ 마우스를 교배해서 얻었으며, SCID (CB17/Icr-prkdc^scid/Rj) 마우스와 C57BL/6 (C57BL/6NCrl) 마우스를 실험에 활용했다. 결론적으로 LDR에 노출된 마우스의 대뇌 피질 뉴런에서의 전자 현미경 이미지를 분석함으로써 방사선 노출이 누적될수록 DNA 손상이 누적된다는 결과를 얻었다. 자세한 결과는 그림4에 명시하였다.

[그림 5] ATM 마우스와 SCID, C57BL/6 마우스를 통한 DNA repair에 LDR이 미치는 영향 연구

최근 원자력 발전소 사고로 인해 국내 역시 LDR의 인체 위해도에 관한 관심이 증대되고 있으며 case report뿐 아니라 마우스 모델을 이용한 메커니즘 연구 역시 활발히 시도되고 있다. 본 글과 그림에 정리된 바와 같이, LDR의 인체에 미치는 영향에 대해서 명확한 결론을 내릴 수 없는 상황이다. 그러므로 LDR이 인체에 미치는 영향에 관한 추가적인 연구가 필요한 상황이며, 향후 축적된 연구 결과를 바탕으로 최종적으로 LDR에 의한 인체 영향 평가 기준 및 질환을 반영할 수 있는 적절한 실험 동물모델의 확립이 필요할 것으로 보인다.

[참고문헌]

[1] Munley MT1, Moore JE, Walb MC, Isom SP, Olson JD, Zora JG, Kock ND, Wheeler KT, Miller MS, Cancer-prone mice expressing the Ki-rasG12C gene show increased lung carcinogenesis after CT screening exposures, Radiat Res. 2011 Dec;176(6):842-8.

[2] Hurwitz, A. A., Foster, B. A., Allison, J. P., Greenberg, N. M., & Kwon, E. D. (2001). The TRAMP mouse as a model for prostate cancer. Current protocols in immunology, 45(1), 20-5.

[3] Lawrence, M. D., Ormsby, R. J., Blyth, B. J., Bezak, E., England, G., Newman, M. R., ... & Sykes, P. J. (2013). Lack of high-dose radiation mediated prostate cancer promotion and low-dose radiation adaptive response in the TRAMP mouse model. Radiation research, 180(4), 376-388.

[4] Kempf, S. J., Janik, D., Barjaktarovic, Z., Braga-Tanaka III, I., Tanaka, S., Neff, F., ... & Tapio, S. (2016). Chronic low-dose-rate ionising radiation affects the hippocampal phosphoproteome in the ApoE−/− Alzheimer's mouse model. Oncotarget, 7(44), 71817.

[5] D. Mathias, R.E.J. Mitchel, M. Barclay, H. Wyatt, M. Bugden, N.D. Priest, S.C. Whitman, M. Scholz, G. Hildebrandt, M. Kamprad, A. Glasow, Low-dose irradiation affects expression of inflammatory markers in the heart of ApoE -/- mice, PLoS One, 10 (2015) e0119661-e0119661.

[6] Lorat, Y., Schanz, S., & Rübe, C. E. (2016). Ultrastructural insights into the biological significance of persisting DNA damage foci after low doses of ionizing radiation. Clinical Cancer Research, 22(21), 5300-5311.

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