기사입력시간 18.03.02 05:00최종 업데이트 18.03.02 06:48

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3D 스페로이드 BBB 통과 예측모델

[칼럼] 배진건 퍼스트바이오테라퓨틱스 상임고문

사진=게티이미지뱅크 
[메디게이트뉴스 배진건 칼럼니스트] 지난해 10월 27일자 '금단(禁斷)의 문을 열다' 칼럼을 통해 우리 몸의 신비한 기관 뇌를 보호하는 특별한 장치인 '혈액-뇌 장벽(BBB, Blood-Brain-Barrier)'을 소개했다. 뇌혈관은 체내 다른 혈관과 다르게 혈관 내피세포(endothelial cell) 사이 공간이 거의 없이 조밀하게 이뤄져 있다. 아교세포(glia cell)라는 비신경세포가 혈관을 둘러싸고 있어 혈액과 혈관벽을 통한 물질이동이 제한적이다. BBB가 존재해 혈액에서 돌고 있는 세균이나 병원균 같은 불순물질이 쉽게 뇌로 들어오지 못하지만, 뇌를 보호하기 위해 만들어진 BBB가 오히려 뇌의 생존에 방해가 되는 경우도 있다. 

뇌에 생긴 종양이나 파킨슨병, 알츠하이머성 치매와 같이 뇌의 문제로 일어나는 병리적 상황에서 BBB가 약물 전달의 장애물로 작용한다. 그래서 BBB를 뚫고 뇌실질까지 약물을 전달하는 방법은 오랫동안 과학자들의 숙제였다. 

특정 약물이 BBB를 통과하는 방법으로는 수동확산(passive diffusion)을 통해 통과하는 방법과 혈관내피세포에 발현된 transporter 단백질을 통해 통과하는 방법이 있다. 그 약물이 얼마정도 통과 하는가를 정확히 측정하려면 뇌 조직을 생검해 측정할 수 밖에 없다. 약물에 FITC같은 형광 물질을 결합(conjugation)시켜서 생체내 이미징(in vivo imaging) 장비를 통해 뇌 내부에서의 형광을 관찰하는 것이다. 그러나 이 방법은 동물을 사용하여 어렵고 많은 화합물(compound)을 스크리닝하기에 적합하지 않다. 

중추신경계(CNS)를 표적으로 개발된 약물은 BBB를 통과하지 못하면 표적 부위에 도달할 수 없고 또 예측하기 쉽지 않은 것 중 하나이기에 BBB 통과 예측 모델이 많은 관심을 받고 있다. 그래서 지금까지는 2D 시스템의 일종인 Transwell® BBB system이 많이 사용되고 있다. 일단 brain endothelial(bEND3) 안정세포를 만들어 상부 챔버(upper chamber)에는 안정세포를 깔고 하부 챔버(lower chamber)에는 BBB 분화에 중요한 요인을 분비한다고 알려져 있는 별아교세포(astrocyte)를 배양한다. 두개층이 직접 접촉은 안 하지만 하부 챔버의 배양액에 상부 챔버의 세포가 잠기게 하는 두개층 배양(double layer culture)을 통해 생체 내 BBB 시스템(in vivo BBB system)을 모방(mimic)하는 것이다. 이 경우, 완전히 세포들이 분화를 완료하면 BBB의 특징인 융합막(tight junction)이 만들어지면서 상부 챔버와 하부 챔버의 저항 차이가 나타난다. 그리고 위에 넣어준 물질이 아래로 내려오려면 수용체를 매개로 하는 능동수송(active transport)이 일어나야만 BBB 통과가 가능하다. 
 


이런 특성을 이용해 형광을 붙인 물질을 상부 챔버에 넣어준 후 그것이 하부 챔버로 운송되는 정도를 형광을 측정하는 방법으로 정량화하는 것이다. 

실제로 혈관 내피세포에서 혈류가 흐르면서 내피세포사 받게되는 압력이 있는데, 이런 배양시스템은 혈류에 의해 혈관 내피세포에 가해지는 전단응력(shearing stress)을 반영하지 못한다. 뇌 질환 치료제를 위해 약품화학자들이 사용하는 방법 중 한 가지는 지용성 약물을 만드는 것이다. 지용성 물질은 인지질 2중막 구조의 BBB의 혈관 내피세포를 직접 통과하는데 용이하기 때문이다. 

생체 내에서 존재하는 각기 다른 성상교세포(星狀膠細胞, astrocytes)와 혈관주위세포(phericytes), 내피세포(endothelial cell)를 함께 배양했더니 3D 스페로이드 회전 타원체(spheroids)가 잘 만들어졌다. 코어(core)는 주로 성상교세포로 이뤄졌고 혈관주위세포와 내피세포가 이를 감싼 모양의 형태로 이뤄졌다. 그래서 연구팀은 BBB를 잘 통과한다고 알려진 BKM120(a phosphatidylinositol 3-kinase inhibitor)와 BBB를 잘 통과하지 못한다고 알려진 dabrafenib[an inhibitor of the threonineprotein kinase B-Raf (V600E)]을 사용해 이 3D 스페로이드의 BBB 통과를 검증했다. 

위에 언급한 구체적인 In vitor or In vivo 연구 이전에 ‘StarDrop’이라는 프로그램 중에서 ADME QSAR 모델을 사용하면 BBB 통과 가능성에 대한 정보를 미리 예상할 수 있다. 화합물의 BBB에 대한 투과성(penetration)에 대한 예측한 결과값이 입력돼 있다. ‘StarDrop’ 검색 결과를 BBB 투과성에 대해 필터해 신약 설계에 보다 유용한 검색 결과를 얻을 수 있는 기능을 제공하고 있다. 

물론 2D 보다는 우리 뇌와 유사한 구조의 3D 스페로이드의 BBB 통과 시스템이 훨씬 좋지만 약점은 우리 뇌와 같이 혈류(shear pressure)가 흐르지 않는 단점을 가지고 있다. 자연적인 현상은 물질이 뇌 안의 혈류를 흐르다가 90도 각도로 BBB를 통과하는데 이런 인공적인 시스템은 완전히 유사하지 못하다. 그래도 뇌질환을 겨냥하는 중추신경계 약물 개발의 가장 중요한 것이 BBB라는 허들이기에 이런 노력이 뇌질환 약물 개발에 필요한 도우미가 될 것이다.

메디게이트뉴스 (news@medigatenews.com)
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