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한국실험동물학회 뉴스레터	2020년 3월
[우수연구실소개] 부산대학교 치의생명과학과 난치질환모사 및 치료기술개발 연구실

부산대학교 치의생명과학과 난치질환모사 및 치료기술개발 연구실 구성원 교수: 김형식 Post-doc: 서유진 박사과정: 양지원, 신예영, 안지수 석사과정: 오수정 연구실 개요 부산대학교 치의생명과학과 난치질환모사 및 치료기술개발 연구실에서는 오가노이드 제작 및 성숙화를 통한 질환모델링과 치료기술 개발 연구를 수행하고 있다. 즉, 마우스의 소장 또는 침샘 오가노이드를 활용하여 해당 조직의 항상성 유지 및 재생 기전을 연구하는 동시에 염증성장질환, 노인성/폐경성 구강건조증 등의 아직까지 질환모사 플랫폼이 제대로 확립되지 않은 질환의 모델링을 고도화시키기 위한 연구를 병행하고 있으며 궁극적으로는 이러한 오가노이드 기반 플랫폼을 활용하여 보다 진보된 융복합 치료법을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 또한, 기존에 수행해 온 줄기세포치료개발 연구도 지속적으로 병행하고 있으며 이 분야에서는 최근 강화 엑소좀 기반 치료제 개발 연구에 집중하고 있다. 2018년부터 실험실을 오픈하여 아직 초기단계의 연구를 수행중이지만 2018년 6편, 2019년 10편의 논문을 게재하며 활발한 연구 활동을 시작하고 있다. 현재 1명의 post-doc과 3명의 박사과정 학생, 1명의 석사과정 학생과 함께 한국연구재단의 중견과제, 전략과제, 선도센터과제, 국책과제 등을 수행하고 있다. 주요 연구분야 및 진행상황 1) 소장 오가노이드의 항상성 제어인자 규명 및 염증성 장질환 모델링 연구 장상피는 평생 동안 매우 활발하게 재생되는 대표적인 조직으로 장줄기세포가 증식과 분화를 통해 만들어 내는 enterocyte, paneth cell, goblet cell, enteroendocrine cell 등의 다양한 세포로 구성되어 있다. 이러한 장줄기세포의 증식 및 분화능을 이용하여 실제 소장상피조직과 유사한 구성과 형태를 가진 오가노이드를 제작할 수 있다. 소장 오가노이드를 활용하여 항상성 유지부터 손상 후 재생에 이르기까지 다양한 연구가 가능하며 본 연구실은 마우스 소장 오가노이드를 확립하여 오가노이드의 생성을 촉진 또는 억제하는 인자를 스크리닝하는 과정에서 장 상피재생의 핵심 조절인자로 예상되는 인자를 발굴하였다. 이 핵심조절물질은 처치 시 소장 오가노이드의 budding을 차단하는 표현형을 나타내었으며 상피세포의 조성을 변화시킴을 확이하였다. 또한, 이러한 현상은 Hippo 신호전달의 전사 활성화 인자인 YAP 단백질 발현을 조절함으로써 나타남을 확인하였고 더욱 자세한 기전을 규명하기 위한 오가노이드, 동물모델 기반 연구를 수행중이다. 장상피 항상성 유지 및 재생 연구와 더불어 공동연구를 통해 염증성장질환의 risk loci로 분류된 핵심유전자 결핍 마우스 유래 또는 CRISPR-Cas9기반 유전자 편집 오가노이드의 제작 및 면역세포, 미생물 공배양 등을 통해 아직까지 제대로 보고된 적이 없는 염증성장질환의 모델링을 시도하고 있다. 그림. 소장 오가노이드 확립 및 핵심 조절인자 기전연구 2) 침샘 오가노이드 기반 구강건조증 모델링 및 치료기술 개발 연구 구강건조증은 음성 장애, 구내염, 치주염, 충치, 소화 장애, 미각 장애, 구취, 삼킴 장애 등 많은 증상을 유발할 수 있으며 이로 인해 특히, 노년층의 삶의 질이 매우 감소함. 아직 효과적인 치료법이 없으며 기존연구는 방사선 치료 후에 발생하는 구강건조증에 집중되어 있으며 노화 또는 폐경에 의한 타액선의 기능상실 기전은 상이할 것으로 생각되며 관련 연구는 거의 진행되고 있지 않다. 본 연구팀은 부산대학교병원 이비인후과와의 공동연구를 통해 침샘 오가노이드 기반의 노화 및 폐경으로 인한 구강건조증을 모델링하는 동시에 이를 개선할 수 있는 후보물질을 발굴하기 위한 연구를 수행중이다. 폐경 동물모델에서 발굴한 사이토카인 또는 miRNA를 활용하여 질환모델링의 가능성을 확인하고 있으며 치료 후보물질 중 하나는 특정 miRNA를 과발현시킨 엑소좀 기반의 치료제로서 엑소좀 생산에 최적화된 줄기세포원을 기보유하고 있다. 그림. 침샘 오가노이드를 활용한 구강건조증 모델링 3) 줄기세포치료제 기능 고도화 연구 지금까지의 줄기세포 치료제는 안전성 검증을 중심으로 개발되어 왔으며 명확한 기전의 부재와 비용대비 부족한 효력이 문제점으로 지적되어 왔다. 다양한 기능 고도화 전략이 있으며 1) 세포 전처치 활성화, 2) 세포표면 조작 또는 세포 클러스터 제작, 3) 유전자 도입 및 제어, 4) 비세포성 치료제(엑소좀 등) 개발 등이 대표적인 전략이라고 할 수 있다. 본 연구팀은 가톨릭대학교 서울성모병원 피부과와의 공동연구를 통해 유전자 도입 기능고도화 줄기세포를 개발하기 위한 연구를 수행중이며 영남대학교 약학대학과 세포 클러스터 제작을 통한 치료기능 고도화 연구를 수행중이다. 또한 자체적으로 줄기세포의 염증조절복합체 활성화를 통한 세포기능고도화 또는 엑소좀 치료제 개발 연구를 수행중이다. 그림. 줄기세포 치료제 기능 고도화 전략 앞으로의 연구 방향 또는 맺음말 주요 연구 분야에서 소개한 염증성장질환, 구강건조증, 세포치료제 기능고도화 연구를 지속적으로 수행하여 심도 있는 연구 결과를 발표함과 동시에 실용화 가능한 아이템을 발굴하고자 한다. 또한, 최근에는 치주염과 전신질환의 연관성을 규명하기 위한 연구를 수행 중이며 장을 비롯한 간, 췌장 등에 대한 치주염 유발균의 역할 규명 연구에도 오가노이드 기술을 활용하기 위한 시도를 하고 있다. 이러한 다양한 연구를 통해 특정 장기에 대한 질환모사 플랫폼이 더욱 성숙화되면 치료기술개발을 위한 플랫폼으로서 활용되는 동시에 특정 질환 분야에 대해서 동물실험을 대체하고 실험에 사용되는 동물수를 줄임으로써 실험동물연구의 원칙과 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 최근 주요논문 성과 ● Byung-Chul Lee, Jae-Jun Kim, Jin Young Lee, Insung Kang, Nari Shin, Seung-Eun Lee, Soon Won Choi, Je-Yoel Cho, Hyung-SikKim, Kyung-Sun Kang. Disease-specific primed human adult stem cells effectively ameliorate experimental atopic dermatitis. Theranostics. 9(12):3608-21, 2019 May ● Shin SC, Seo Y, Park HY, Jung DW, Shin TH, Son H, Kim YK, Lee JC, Sung ES, Jang JY, KimHS, Lee BJ. Regenerative potential of tonsil mesenchymal stem cells on surgical cutaneous defect. Cell Death Dis. 9(2):183, 2018 Feb ● Kim HS, Lee JH, Roh KH, Jun HJ, Kang KS, Kim TY. Clinical Trial of Human Umbilical Cord Blood-derived Stem Cells for the Treatment of Moderate-to-Severe Atopic Dermatitis: Phase I/IIa Studies. Stem Cells. 35(1):248-255, 2017 Jan ● Shin TH, Kim HS, Kang TW, Lee BC, Lee HY, Kim YJ, Shin JH, Seo Y, Won Choi S, Lee S, Shin K, Seo KW, Kang KS. Human umbilical cord blood-stem cells direct macrophage polarization and block inflammasome activation to alleviate rheumatoid arthritis. Cell Death Dis*. 7(12):e2524, 2016 Dec ● Seo Y, Kim HS, Kang I, Choi SW, Shin TH, Shin JH, Lee BC, Lee JY, Kim JJ, Kook MG, Kang KS. Cathepsin S contributes to microglia-mediated olfactory dysfunction through the regulation of Cx3cl1-Cx3cr1 axis in a Niemann-Pick disease type C1 model. Glia. 64(12): 2291-2305, 2016 Dec ● Kim HS, Yun JW, Shin TH, Lee SH, Lee BC, Yu KR, Seo Y, Lee S, Kang TW, Choi SW, Seo KW, Kang KS. Human umbilical cord blood mesenchymal stem cell-derived PGE2 and TGF-β1 alleviate atopic dermatitis by reducing mast cell degranulation. Stem Cells. 33(4): 1254-66, 2015 April ● Seo Y, Kim HS, Shin Y, Kang I, Choi SW, Yu KR, Seo KW, Kang KS. Excessive microglial activation aggravates olfactory dysfunction by impeding the survival of newborn neurons in the olfactory bulb of Niemann-Pick disease type C1 mice. Biochim Biophys Acta. Molecular Basis of Disease* 1842(11):2193-203, 2014 Nov ● Kim HS, Shin TH, Lee BC, Yu KR, Seo Y, Lee S, Seo MS, Hong IS, Choi SW, Seo KW, Núñez G, Park JH, Kang KS. Human Umbilical Cord Blood Mesenchymal Stem Cells Reduce Colitis in Mice by Activating NOD2 Signaling to COX2. Gastroenterology. 145(6):1392-1403, 2013 Dec These authors equally contributed as first or corresponding author

부산대학교 치의생명과학과

난치질환모사 및 치료기술개발 연구실

구성원

교수: 김형식

Post-doc: 서유진

박사과정: 양지원, 신예영, 안지수

석사과정: 오수정

연구실 개요

부산대학교 치의생명과학과 난치질환모사 및 치료기술개발 연구실에서는 오가노이드 제작 및 성숙화를 통한 질환모델링과 치료기술 개발 연구를 수행하고 있다. 즉, 마우스의 소장 또는 침샘 오가노이드를 활용하여 해당 조직의 항상성 유지 및 재생 기전을 연구하는 동시에 염증성장질환, 노인성/폐경성 구강건조증 등의 아직까지 질환모사 플랫폼이 제대로 확립되지 않은 질환의 모델링을 고도화시키기 위한 연구를 병행하고 있으며 궁극적으로는 이러한 오가노이드 기반 플랫폼을 활용하여 보다 진보된 융복합 치료법을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 또한, 기존에 수행해 온 줄기세포치료개발 연구도 지속적으로 병행하고 있으며 이 분야에서는 최근 강화 엑소좀 기반 치료제 개발 연구에 집중하고 있다.

2018년부터 실험실을 오픈하여 아직 초기단계의 연구를 수행중이지만 2018년 6편, 2019년 10편의 논문을 게재하며 활발한 연구 활동을 시작하고 있다. 현재 1명의 post-doc과 3명의 박사과정 학생, 1명의 석사과정 학생과 함께 한국연구재단의 중견과제, 전략과제, 선도센터과제, 국책과제 등을 수행하고 있다.

주요 연구분야 및 진행상황

1) 소장 오가노이드의 항상성 제어인자 규명 및 염증성 장질환 모델링 연구

장상피는 평생 동안 매우 활발하게 재생되는 대표적인 조직으로 장줄기세포가 증식과 분화를 통해 만들어 내는 enterocyte, paneth cell, goblet cell, enteroendocrine cell 등의 다양한 세포로 구성되어 있다. 이러한 장줄기세포의 증식 및 분화능을 이용하여 실제 소장상피조직과 유사한 구성과 형태를 가진 오가노이드를 제작할 수 있다. 소장 오가노이드를 활용하여 항상성 유지부터 손상 후 재생에 이르기까지 다양한 연구가 가능하며 본 연구실은 마우스 소장 오가노이드를 확립하여 오가노이드의 생성을 촉진 또는 억제하는 인자를 스크리닝하는 과정에서 장 상피재생의 핵심 조절인자로 예상되는 인자를 발굴하였다. 이 핵심조절물질은 처치 시 소장 오가노이드의 budding을 차단하는 표현형을 나타내었으며 상피세포의 조성을 변화시킴을 확이하였다. 또한, 이러한 현상은 Hippo 신호전달의 전사 활성화 인자인 YAP 단백질 발현을 조절함으로써 나타남을 확인하였고 더욱 자세한 기전을 규명하기 위한 오가노이드, 동물모델 기반 연구를 수행중이다.

장상피 항상성 유지 및 재생 연구와 더불어 공동연구를 통해 염증성장질환의 risk loci로 분류된 핵심유전자 결핍 마우스 유래 또는 CRISPR-Cas9기반 유전자 편집 오가노이드의 제작 및 면역세포, 미생물 공배양 등을 통해 아직까지 제대로 보고된 적이 없는 염증성장질환의 모델링을 시도하고 있다.

그림. 소장 오가노이드 확립 및 핵심 조절인자 기전연구

2) 침샘 오가노이드 기반 구강건조증 모델링 및 치료기술 개발 연구

구강건조증은 음성 장애, 구내염, 치주염, 충치, 소화 장애, 미각 장애, 구취, 삼킴 장애 등 많은 증상을 유발할 수 있으며 이로 인해 특히, 노년층의 삶의 질이 매우 감소함. 아직 효과적인 치료법이 없으며 기존연구는 방사선 치료 후에 발생하는 구강건조증에 집중되어 있으며 노화 또는 폐경에 의한 타액선의 기능상실 기전은 상이할 것으로 생각되며 관련 연구는 거의 진행되고 있지 않다. 본 연구팀은 부산대학교병원 이비인후과와의 공동연구를 통해 침샘 오가노이드 기반의 노화 및 폐경으로 인한 구강건조증을 모델링하는 동시에 이를 개선할 수 있는 후보물질을 발굴하기 위한 연구를 수행중이다. 폐경 동물모델에서 발굴한 사이토카인 또는 miRNA를 활용하여 질환모델링의 가능성을 확인하고 있으며 치료 후보물질 중 하나는 특정 miRNA를 과발현시킨 엑소좀 기반의 치료제로서 엑소좀 생산에 최적화된 줄기세포원을 기보유하고 있다.

그림. 침샘 오가노이드를 활용한 구강건조증 모델링

3) 줄기세포치료제 기능 고도화 연구

지금까지의 줄기세포 치료제는 안전성 검증을 중심으로 개발되어 왔으며 명확한 기전의 부재와 비용대비 부족한 효력이 문제점으로 지적되어 왔다. 다양한 기능 고도화 전략이 있으며 1) 세포 전처치 활성화, 2) 세포표면 조작 또는 세포 클러스터 제작, 3) 유전자 도입 및 제어, 4) 비세포성 치료제(엑소좀 등) 개발 등이 대표적인 전략이라고 할 수 있다. 본 연구팀은 가톨릭대학교 서울성모병원 피부과와의 공동연구를 통해 유전자 도입 기능고도화 줄기세포를 개발하기 위한 연구를 수행중이며 영남대학교 약학대학과 세포 클러스터 제작을 통한 치료기능 고도화 연구를 수행중이다. 또한 자체적으로 줄기세포의 염증조절복합체 활성화를 통한 세포기능고도화 또는 엑소좀 치료제 개발 연구를 수행중이다.

그림. 줄기세포 치료제 기능 고도화 전략

앞으로의 연구 방향 또는 맺음말

주요 연구 분야에서 소개한 염증성장질환, 구강건조증, 세포치료제 기능고도화 연구를 지속적으로 수행하여 심도 있는 연구 결과를 발표함과 동시에 실용화 가능한 아이템을 발굴하고자 한다. 또한, 최근에는 치주염과 전신질환의 연관성을 규명하기 위한 연구를 수행 중이며 장을 비롯한 간, 췌장 등에 대한 치주염 유발균의 역할 규명 연구에도 오가노이드 기술을 활용하기 위한 시도를 하고 있다. 이러한 다양한 연구를 통해 특정 장기에 대한 질환모사 플랫폼이 더욱 성숙화되면 치료기술개발을 위한 플랫폼으로서 활용되는 동시에 특정 질환 분야에 대해서 동물실험을 대체하고 실험에 사용되는 동물수를 줄임으로써 실험동물연구의 원칙과 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

최근 주요논문 성과

● Byung-Chul Lee, Jae-Jun Kim, Jin Young Lee, Insung Kang, Nari Shin, Seung-Eun Lee, Soon Won Choi, Je-Yoel Cho, Hyung-SikKim*, Kyung-Sun Kang*. Disease-specific primed human adult stem cells effectively ameliorate experimental atopic dermatitis. Theranostics. 9(12):3608-21, 2019 May

● Shin SC, Seo Y, Park HY, Jung DW, Shin TH, Son H, Kim YK, Lee JC, Sung ES, Jang JY, KimHS*, Lee BJ*. Regenerative potential of tonsil mesenchymal stem cells on surgical cutaneous defect. Cell Death Dis. 9(2):183, 2018 Feb

● Kim HS*, Lee JH*, Roh KH, Jun HJ, Kang KS, Kim TY. Clinical Trial of Human Umbilical Cord Blood-derived Stem Cells for the Treatment of Moderate-to-Severe Atopic Dermatitis: Phase I/IIa Studies. Stem Cells. 35(1):248-255, 2017 Jan

● Shin TH*, Kim HS*, Kang TW, Lee BC, Lee HY, Kim YJ, Shin JH, Seo Y, Won Choi S, Lee S, Shin K, Seo KW, Kang KS. Human umbilical cord blood-stem cells direct macrophage polarization and block inflammasome activation to alleviate rheumatoid arthritis. Cell Death Dis. 7(12):e2524, 2016 Dec

● Seo Y*, Kim HS*, Kang I*, Choi SW, Shin TH, Shin JH, Lee BC, Lee JY, Kim JJ, Kook MG, Kang KS. Cathepsin S contributes to microglia-mediated olfactory dysfunction through the regulation of Cx3cl1-Cx3cr1 axis in a Niemann-Pick disease type C1 model. Glia. 64(12): 2291-2305, 2016 Dec

● Kim HS*, Yun JW*, Shin TH*, Lee SH, Lee BC, Yu KR, Seo Y, Lee S, Kang TW, Choi SW, Seo KW, Kang KS. Human umbilical cord blood mesenchymal stem cell-derived PGE2 and TGF-β1 alleviate atopic dermatitis by reducing mast cell degranulation. Stem Cells. 33(4): 1254-66, 2015 April

● Seo Y*, Kim HS*, Shin Y, Kang I, Choi SW, Yu KR, Seo KW, Kang KS. Excessive microglial activation aggravates olfactory dysfunction by impeding the survival of newborn neurons in the olfactory bulb of Niemann-Pick disease type C1 mice. Biochim Biophys Acta. Molecular Basis of Disease 1842(11):2193-203, 2014 Nov

● Kim HS*, Shin TH, Lee BC, Yu KR, Seo Y, Lee S, Seo MS, Hong IS, Choi SW, Seo KW, Núñez G, Park JH, Kang KS. Human Umbilical Cord Blood Mesenchymal Stem Cells Reduce Colitis in Mice by Activating NOD2 Signaling to COX2. Gastroenterology. 145(6):1392-1403, 2013 Dec

*These authors equally contributed as first or corresponding author

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