3D 피부 질환 모델 개발 …신소재·기능성 화장품 발전 도움

[더케이뷰티사이언스] ㈜바이오솔루션 비임상연구센터 이창진 주임연구원입니다.  2022년 아시아동물실험대체법학회(3rd Asian Congress for Alternatives to Animal Experiments, 3rd ACAAE 2022)에서 논문 '아토피 피부염 및 건선 유사 3차원 피부 질환 모델 개발과 아토피 피부염 및 건선 치료제 스크리닝 방법(Functional characterization of Atopic dermatitis and Psoriasis RHE model and its evaluation of dexamethasone-mediated recovery)’을 발표해, Best Poster Award 구두 발표 부문 Gold상을 받았습니다. 한국동물실험대체법학회(KSAAE)가 주최한 '2022년 아시아동물실험대체법학회'는 2022년 12월 14~16일 제주 국제컨벤션 센터에서 열렸습니다. 이 학회의 주요 조직위원회 국가는 중국, 인도, 일본, 한국입니다.

Q. 비임상연구센터를 소개해 주세요.

A. 바이오솔루션 비임상연구센터는 인체조직모델 개발을 담당하는 개발팀과 동물대체시험법 연구를 담당하는 시험평가팀으로 구성되어 있습니다. 개발팀과 시험평가팀은 상호협력하에 정확하고 효율적이며 신뢰성 있는 3차원 인체조직모델을 이용한 비임상연구를 진행하고 있습니다. 현재 피부, 각막, 호흡기 점막, 구강 점막 모델을 이용하여 안전성, 유효성 평가 실험을 진행하고 있으며, 세포응용기술을 바탕으로 개발된 피부모델(KeraSkin^TM)과 각막모델(MCTT HCE^TM)은 2019년 국제 독성평가의 기준이 되는 OECD 테스트 가이드라인에 국제 표준모델로서 등재되었습니다 (OECD TG439, OECD TG492).

Q. 이번 논문을 소개해 주세요.

A. 동물실험을 이용한 의약품, 화장품, 화학물질의 안정성, 유효성 평가는 부정확성, 비윤리성, 비효율성 3가지 한계점을 가지고 있습니다. 대표적인 사례로는 1만명의 기형아가 발생한 입덧 완화 치료제인 탈리도마이드 약물부작용 사건이 있습니다. 전 세계적으로 동물에 대한 윤리의식 확산 및 동물실험 결과의 인체적용 한계로 인해, 동물실험을 대체하고 인체에서의 영향을 보다 정확히 예측하기 위한 동물대체시험법 개발과 도입 필요성이 강조되고 있습니다. 동물대체시험법은 실험동물의 윤리와 관련된 3Rs의 개념을 근간으로 동물을 사용하지 않고, 인간의 질환에 대해 연구하거나, 인체에서의 효능과 독성을 예측·평가할 수 있는 모든 시험법으로 정의할 수 있으며, 주로, 약물동태, 피부자극성 및 부식성, 피부감작성, 안자극성, 광독성 등의 안전성 평가 분야와, 질환모델로 활용하는 유효성 평가 분야에 활용되고 있습니다. 이러한 동물대체시험법 관련 산업은 생체외 평가를 위한 다양한 소모품과 연구도구를 개발하는 분야에서부터 시험서비스 분야까지 지속적으로 동반 성장할 것으로 예측되고 있습니다.

바이오솔루션 비임상평가센터에서는 실험동물을 대체할 수 있는 3D 인체조직모델 및 동물대체실험법을 개발하고 있으며, 더 나아가 다양한 인체 질환을 분석하고 인체 세포를 활용한 3차원적인 인체 질환 모델 및 약물 스크리닝 방법을 개발하고 있습니다.

Q. 이 연구에 주목한 이유가 궁금합니다.

A. 아토피 피부염과 건선 질환은 대표적인 피부 면역 질환으로 다양한 유전적, 환경적 요인들이 상호작용을 통해 발병하는 것으로 보고되어 있으며, 두 질환은 서로 다른 메커니즘과 병리학적 특징을 가지는 서로 다른 별개의 질환으로 알려져 있습니다. 아토피 피부염과 건선 치료제를 개발하기 위해 많은 연구 기관들이 2D in-vitro 실험 혹은 동물실험을 통해 치료제 개발 연구를 시도하지만 2D in-vitro 실험은 3차원적 조직 환경을 구현하기에 무리가 있으며, 동물 피부는 인간 피부와 비교하여 구조적, 유전적으로 많은 차이가 있어 인체 피부를 연구하기에 한계가 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 이번 연구에서는 아토피 피부염과 건선의 면역학적 메커니즘을 분석하고 3차원 조직 공학 기술을 활용하여 3D 인체 피부 질환 모델 개발 및 약물 스크리닝 방법 개발을 시도하였습니다. 이러한 3D 인체 조직 질환 모델 개발은 2D in-vitro 실험과 동물실험보다 인체조직을 더 유사하게 구현하며, 그에 따라 정확성, 윤리성, 효율성이 향상된 치료제 및 화학물질 스크리닝 연구를 가능하게 합니다.

Q. 연구 성과는 어떤가요?

A. 이번 연구에서는 아토피 피부염 및 건선 유사 3차원 피부 질환 모델과 아토피 피부염 및 건선 치료제 스크리닝 방법을 개발하였습니다.(아토피 피부염 피부 질환 모델: KeraSkin-AD^TM, 건선 피부 질환 모델: KeraSkin-PS^TM)

아토피 피부염 질환의 가장 큰 병리학적 특징은 해면증(spongiosis)입니다. KeraSkin-AD^TM 모델에서 조직학적으로 아토피 피부염의 병리학적 특징을 구현하였고 상피간전기저항(TEER)값이 감소하는 물리학적 특징을 보였습니다. 상피간전기저항(TEER)은 물리적인 장벽능을 측정하는 방법 중 하나로 아토피 피부염 모델에서 TEER 감소는 조직 해면화로 인해 세포간의 밀착연접(tight junction) 혹은 부착연접(adherens junction)과 같은 피부 장벽이 손상되었음을 의미합니다. 또한 KeraSkin-AD^TM 모델에서 아토피 피부염 유전자 마커인 TSLP, CA2, NELL2 발현과 전염증(proinflammation)관련 사이토카인 CXCL10, IL-6, IL-8 유전자 발현이 증가되었고, 추가적으로 피부장벽 및 표피세포 분화와 관련된 필라그린(Filagrin), 인볼루크린(Involucrin), 로리크린(Loricrin), 사이토케라틴-10(KRT10)의 발현이 감소되었습니다.

건선 질환의 가장 큰 병리학적 특징은 이상각화증(parakeratosis)과 건선형 과형성(psoriasiform hyperplasia)입니다. KeraSkin-PS^TM 모델에서 조직학적으로 건선 질환의 병리학적 특징을 구현하였고, 그에 따라 각질층이 두꺼워지는 특징을 관찰하였습니다. 또한 건선 피부질환 유전자 마커인 S100A7, PI3, DEFB4 발현과 전염증(proinflammation) 관련 사이토카인 CXCL10와 IL-8이 증가하였으며, 피부장벽 및 표피세포 분화와 관련된 필라그린(Filagrin), 인볼루크린(Involucrin), 로리크린(Loricrin), 사이토케라틴-10(KRT10)의 발현이 감소되었습니다. 또한, 기저층(basal layer)에 Ki-67 발현 세포 증가를 통해 표피세포 증식능이 비정상적으로 활성화되었음을 확인하였습니다.

KeraSkin-AD^TM와 KeraSkin-PS^TM 모델에서 합성 코르티코스테로이드인 덱사메타손을 이용해각각의 질병과 관련된 유전자 마커들의 발현이 회복되는 것을 확인하였습니다. KeraSkin-AD^TM 모델에서 덱사메타손에 의해 해면화(spongiosis)와 피부장벽이 회복됨을 조직학적으로 확인하였으며, 특히 전염증 관련 사이토카인 발현량과 가려움과 관련된 TSLP 발현량이 감소됨을 확인하였습니다. 마찬가지로 KeraSkin-PS^TM 모델에서 덱사메타손에 의해 피부장벽이 회복됨과 동시에 기저층(basal layer)에서 비정상적인 Ki-67 발현 세포 감소는 비정상적 세포증식능이 회복되었음을 의미합니다.

Q. 이번 연구의 핵심적인 내용을 그림 등으로 설명해 주세요.

A. (그림 1)은 ‘아토피 피부염 유사 3차원 인체조직모델의 조직학적 및 물리적 변화’입니다. 아토피 피부염 질환의 가장 큰 병리학적 특징은 해면화(spongiosis)입니다. 본 연구에서는 조직학적으로 아토피 피부염의 병리학적 특징을 구현하였고 상피간전기저항(TEER)값이 감소하는 물리학적 특징을 보였습니다. 상피간전기저항(TEER)은 물리적인 장벽능을 측정하는 방법 중 하나로 아토피 피부염 모델에서 TEER 감소는 조직 해면화로 인해 세포간의 밀착연접(tight junction) 혹은 부착연접(adherens junction)과 같은 피부 장벽이 손상되었음을 의미합니다.  

다음으로 (그림 2) ‘건선 유사 3차원 인체조직모델의 조직학적 및 물리적 변화’입니다. 건선 질환의 가장 큰 병리학적 특징은 이상각화증(각질에 세포핵이 남아 있는 현상, 빨간 화살표)과 건선형 과형성(각질층이 두꺼워지며 과립층이 감소되는 현상)입니다. 본 연구에서는 조직학적으로 건선질병의 병리학적 특징을 구현하였고 그에 따라 각질층이 두꺼워졌음을 확인하였습니다.

(그림 3)은 ‘아토피 피부염 및 건선 유사 3차원 인체조직모델의 유전자 발현량 변화’입니다. 아토피 피부염 질환과 건선 질환의 유전자 마커 6종에 대해서 각각 질환별로 특이적으로 과발현 양상을 확인하였으며, 두 질환 공통적으로 피부장벽 관련 유전자의 발현량이 감소하는 것을 확인하였습니다. 또한 전염증(pro-inflammatory)와 관련된 CXCL10, IL8의 발현량이 증가하는 것을 확인하였습니다.

Q. 이 논문이 화장품산업에 어떤 도움이 되는지요?

A. 최근에는 건강하고 아름다운 피부를 원하는 현대인들의 바람과 함께 다양한 피부미용 관련 기술들이 발전함에 따라 피부 건강 개선에 대한 소비자의 욕구가 더욱 더 높아지고 있으며, 요즘 소비자들은 화장품의 안정성 외에 약리적 효능·효과에 높은 관심을 갖고있습니다. 화장품은 단순한 미용의 개념에서 진화하여 노화 예방과 질병 치료 개념이 도입되고 있으며, 고기능성, 다기능성을 내세운 미백, 주름개선 등을 목표로 하는 기능성 화장품 신소재 개발이 강하게 요구되고 있습니다. 이번 연구에서 개발한 아토피 피부염 및 건선 유사 3D 피부 질환 모델은 기존의 2D 세포실험 및 동물실험보다 더 윤리적이고, 효율적이고, 정확한 유효성 평가를 가능하게 하기 때문에 신소재 개발 및 기능성화장품 발전에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대됩니다.

Q. 연구를 진행하면서 어려웠던 점도 많았겠네요. 어떻게 해결했나요?

A. 질병을 유도하고 각각의 세포에서 유전자의 RNA와 단백질 발현 변화와 동시에 아토피 피부염의 해면화(spongiosis)와 건선의 이상각화증(parakeratosis)과 같은 조직학적인 변화를 동시에 유도하는데 오랜 연구 기간이 필요하였습니다. 또한 아토피 피부염과 건선은 피부 면역 질환으로 각각의 질환에 대한 유전학적, 조직학적 특징들만 차별화되게 구현해야 한다는 점에서 어려움이 있었습니다. 3차원 인체 조직 질환 모델을 개발하기 위해서는 그 질환에 대한 면역학적 작용기전과 해당 조직의 조직학적, 생리학적 이해, 조직을 구성하는 세포들의 골격 변화 및 신호전달체계에 대해 이해가 필요하였고 외부에서 자극을 주었을 때 어떻게 반응하는지를 분석함으로써 본 연구를 진행하였습니다.

Q. 앞으로 연구 계획이 궁금합니다.

A. 바이오솔루션 비임상연구센터에서 근무하면서 앞으로 다양한 인체 기관의 조직(tissue)과 질병에 대해 연구를 진행하고 소화계, 호흡계, 신경계 등 다양한 기관의 인체조직모델 및 동물대체시험법 개발을 시도할 예정입니다. 앞으로의 연구 결과를 통해 불필요한 동물실험이 조금이라도 줄어들기를 바라며 의약품, 화장품 등 당야한 분야의 산업 발전에 이바지 할 수 있는 연구원이 되도록 노력하겠습니다.

Q. 추가로 하고 싶은 말을 해주세요.

A. 이번 연구는 바이오솔루션 비임상평가센터 팀원들의 많은 도움을 좋은 연구 결과를 얻을 수 있었습니다. 인체조직모델 제조에 도움을 주신 김수지 연구원님과 연구 지도를 해주신 김설영 팀장님과 이수현 연구실장님께 감사 인사를 드립니다. 또한 피부 과학을 공부하면서 연구원으로서 저를 성장시켜 주신 김태억 교수님께 감사 인사를 드리고 싶습니다.