기초과학연구원 복잡계 자기조립 연구단 장영태 부연구단장 연구팀은 국제 공동 연구를 통해 종양줄기세포에만 선택적으로 결합하는 형광물질 TiY(Tumor initiating cell probe Yellow)을 발견하고, 암의 재발이나 전이를 막는 항암 치료의 가능성도 확인하는 데 성공했다. TiY는 종양의 종류에 상관없이 종양줄기세포를 탐지해낼 수 있어 광범위한 암 치료에 활용될 것으로 기대된다.

종양줄기세포(Tumor Initiating Cells)는 암 세포로 분화하기 전 단계의 세포로, 재생․분화 능력이 강해 종양 형성과 암 전이, 재발에 관여한다. 때문에 생체 내에서 다양한 종류의 종양줄기세포를 얼마나 선별적으로 정확히 검출해낼 수 있는지의 여부가 항암 치료의 관건이 된다. 그러나 종양줄기세포 검출에 사용되던 기존 항체 치료법은 암 종류나 사람에 따른 편차를 보여 널리 활용하기 어려웠으며, 일반종양세포와 종양줄기세포를 선별하는 데 한계가 있었다.

이에 따라 IBS 연구진은 종양줄기세포만을 탐지해내는 형광물질을 찾기 위한 실험을 고안했다. 실험은 대표적 악성 종양인 폐암줄기세포를 폐암 환자 표본으로부터 추출하고, 폐암줄기세포에 형광분자들을 종류별로 처리하며 세포와 결합하는 형광분자를 찾는 방식으로 진행됐다. 연구진은 자체개발한 약 1만여 종류의 형광 유기 분자 라이브러리의 형광물질들을 폐암줄기세포에 처리하는 스크리닝 과정을 거쳐, 수많은 형광물질 중 TiY 분자가 폐암줄기세포에만 선택적으로 결합한다는 사실을 발견하는 데 성공했다.

구체적으로 연구진은 TiY가 종양줄기세포의 비멘틴(Vimentin)이라는 단백질에 결합한다는 사실을 밝혔다. 비멘틴은 종양줄기세포의 골격을 이루는 근육단백질의 일종으로, 일반 종양세포보다 종양줄기세포에 그 양이 압도적으로 많아 종양줄기세포임을 표지하는 지표임이 잘 알려져 있다. 연구진은 처음으로 비멘틴에 결합해 종양줄기세포만을 탐지해내는 형광물질 TiY의 메커니즘을 밝혀낸 것이다.

이어 연구진은 면역력을 결핍시킨 세 그룹의 생쥐를 이용해 TiY의 종양줄기세포 선별 능력을 검증했다. 종양줄기세포는 공 모양의 종양구(Tumor Sphere)를 형성하는 특징이 있어 일반종양세포와 구분된다. A 그룹 생쥐에게는 종양에서 무작위로 추출한 세포(일반폐암세포+폐암줄기세포)를 주입하고, B그룹 생쥐에게는 TiY로 형광 염색된 세포만 추출해 주입, C그룹 생쥐에게는 TiY로 염색되지 않은 세포만 추출해 주입했다. 실험 결과, TiY 염색 세포만 주입한 B그룹 생쥐에서 종양구가 가장 크게 형성됐고, A그룹 생쥐는 보다 작게 종양구가 생겼으나 C그룹의 생쥐는 종양구가 형성되지 않았다. TiY가 일반종양세포가 아닌 종양줄기세포에만 결합해 형광을 띠게 한다는 것이 입증된 것이다.

TiY는 범용성도 탁월하다. 폐암뿐만 아니라 신장암, 뇌종양, 피부암, 전립선암, 유방암, 난소암, 결장암 등 총 28 종류의 암 조직에서 분리한 TiY 염색 세포를 체외 배양한 결과, 모두 종양구를 형성함을 확인했다. TiY가 암 종류에 상관없이 암줄기세포만을 정확하게 찾아 분리하는 탐지기로 활용될 수 있음이 증명 했다.

한편, 연구진은 유기분자인 TiY를 세포에 일정 농도 이상으로 처리할 경우, TiY와 결합하는 비멘틴의 작용에 부담을 줄 것으로 예측했다. 관찰 결과, 정상 폐 세포와 일반폐암세포는 TiY를 높은 농도로 처리해도 세포의 생사에 별다른 영향을 받지 않았다. 반면, 폐암줄기세포는 TiY 농도가 일정 수준 이상이 되자 세포가 급격히 사멸함에 따라 종양구 형성 능력이 현저히 떨어지는 것으로 관찰됐다. TiY는 종양줄기세포를 탐지해낼 뿐 아니라 이처럼 종양 형성을 억제할 수 있어 항암 치료에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

장영태 IBS 복잡계 자기조립 연구단 부연구단장은 “이번 결과는 살아있는 종양줄기세포 내부에서 발현되는 단백질을 표적으로 한 최초의 형광물질 개발에 의의가 있으며, 향후 암 치료 약물 개발의 가능성을 열어주는 성과”라고 밝혔다. 본 연구결과는 독일 응용화학회지(Angewandte Chemie International Edition, IF 11.994) 온라인판에 독일시간으로 지난 1월 26일 게재됐다.