[내분비내과] 당뇨병 유전자 치료의 최신지견

	이 현 철 연세대 신촌세브란스병원 당뇨병센터 소장 Hyun Cheol Lee, M.D.   Chairman of Severance Hospital Diabetes Center,  Yonsei University College of Medicine
서  론 당뇨병은 절대적 혹은 상대적 인슐린 결핍과 인슐린 작용이상으로 고혈당을 초래하고 그로 인해 다양한 합병증을 유발하는 만성대사질환이다. 제1형 당뇨병은 자가면역기전에 의한 췌장의 베타세포 파괴를 특징으로 하는 반면에, 제2형 당뇨병은 베타세포의 기능장애 뿐만 아니라 인슐린 작용이상(인슐린저항성)을 특징으로 한다. 즉, ‘절대적 인슐린 결핍’이 원인인 제1형 당뇨병과 ‘인슐린저항성 및 인슐린 분비장애(상대적 인슐린 결핍)’를 특징으로 하는 제2형 당뇨병으로 분류할 수 있다. 제1형 당뇨병의 특징이 자가면역성 베타세포의 파괴라면 제2형 당뇨병의 특징은 대상장기(end organ)의 인슐린에 대한 작용 저하라고 할 수 있겠다. 두형태의 당뇨병은 모두 ‘베타세포의 기능장애’와 ‘고혈당으로 인한 말초장기의 손상’이라는 공통점을 공유한다.               기존의 일반적인 치료, 즉 혈당강하제 혹은 인슐린으로는 엄격한 혈당조절을 유지할 수 없기 때문에 제1형 및 제2형 당뇨병 모두 정상이상의 높은 혈당으로 인해 초래되는 당뇨병성 만성합병증이 가장 중요한 기의 기능장애(다장기부전, multi-organ failure, MOF)를 초래하여 미세혈관합병증 및 대혈관합병증을 유발하는 것으로 알려지고 있다. 1983년 발표된 DCCT(Diabetes Control and Complication Trial) 및 최근 종료된 UKPDS(United Kingdom Prospective Diabetes Study)와 같은 여러 대규모 전향적 연구에서, 제1형 및 제2형 당뇨병 환자에서 철저한 혈당조절에 의하여 합병증을 예방 또는 지연시킬 수 있음이 확인되었다. 즉, 당뇨병 치료의 궁극적인 목표는 고혈당을 감지하여 적절한 양의 인슐린을  신속하게 분비함으로써, 정상혈당을 유지시켜, 합병증으로부터 해방시키는 것이다.   그러나 이와 같은 목표를 달성하기 위한 많은 노력에도 불구하고, 1921년 인슐린의 발견 이후  당뇨병의 치료를 위해 현재까지 경구용 혈당강하제, 인슐린주사, 췌장 또는 췌도세포이식 등이 개발되어 왔지만, 한계가 있다. 따라서 최근 당뇨병을 완치하기 위한 유전자 치료가 더욱 절실히 요구되는 실정이어서 더욱 활발하게 다각도로 연구되고 있는 상황이다.     당뇨병의 유전자 치료는  무엇인가   당뇨병의 유전자 치료는 당뇨병 환자의 임상증상을 호전시키기 위해 유전자 전달(gene transfer) 방법을 사용하는 모든 치료방법을 포괄하여 정의할 수 있다.   이러한 정의에 따르면 당뇨병의 유전자 치료는 당뇨병의 발병을 지연 또는 예방하는 치료에서부터 절대적 혹은 상대적 인슐린의 결핍을 교정하는 치료뿐만 아니라, 지속적인 고혈당으로 인한 대상장기의 손상에 대한 치료까지 포함한다고 할 수 있다. 당뇨병의 유전자 치료는 치료대상에 따라 ‘제1형 당뇨병에 대한 유전자 치료’, ‘제2형 당뇨병에 대한 유전자 치료’, ‘제1형 및 제2형 당뇨병에 대한 유전자 치료’, 그리고 ‘당뇨병의 합병증에 대한 유전자 치료’ 등으로 구분할 수 있다(table 1).     제 1 형 당뇨병에서의 유전자 치료   제1형 당뇨병 환자들은 자가면역기전에 의해 췌장의 베타세포가 거의 대부분 파괴되는데 이러한 과정에 대식세포 및 T-임파구가 관여하는 것으로 알려져 있으나, 아직 확실한 병인기전에 대해서는 밝혀져 있지 않다. 베타세포의 파괴에는 여러가지 기전이 관여된다고 알려져 있다. 즉, 베타세포 표면의 Fas molecule 및 면역세포에서 분비되는 사이토카인 (IL-1,TNF-α, IFN-γ) 등에 의해 베타세포의 고사를 유발하게 된다(Fig.1).   제1형 당뇨병의 유전자 치료는 베타세포 파괴기전에 근거하여 베타세포 또는 면역세포의 유전자 조작(genetic modification)을  통하여  가능해질 수 있다. 그러나 면역시스템에 관여하는 면역세포는 췌도세포의 수보다  많은 세포가 있기 때문에, 면역세포에 대한 효과적인 유전자 조작은 어렵다. 또한 면역세포 자체에 직접 유전자 조작은 목적하지 않았던 전신성 면역반응을 유발할 가능성이 있기 때문에, 췌도세포의 선택적 유전자 조작이 보다 효과적이라고 생각된다.   IL-4와 같은 immunomodulatory molecule의 발현을 유도하여 자가면역성 공격으로부터 췌장의 베타세포를 보호할 수 있고, 베타세포에서 조직적합성 항원(MHC)을 downregulate하는 조작은 자가면역성 당뇨병 모델에서 췌도의 생존기간을 연장할 수 있다는 보고가 있다. 최근에 T-임파구의 활성에 중요한 역할을 하는 것으로 알려진 CD40 ligand에 대한 항체를 주사하는 방법이 이식췌도의 생존을 연장하는 것으로 보고되어, 베타세포에서 국소적으로 항CD40 ligand 항체의 생성을 유도하도록 하는 유전자 조작은 장기적으로 이식췌도의 거부반응 및 반복적인 자가면역반응을 억제하는 효과적인 치료방법이 될 수 있으리라 생각된다.   그러나, 이러한 치료방법들에서 유의해야 할 점은 면역반응이라는 것이 매우 복잡하고 따라서, 종(species)간의 작은 차이라도 매우 다른 결과를 초래할 수 있다는 것이다.   제 2 형 당뇨병에서의 유전자 치료    제2형 당뇨병은 30세이상 성인에서는 10명 중 한명에서 발생되는 매우 흔한 질환이다. 제2형 당뇨병은 베타세포에서의 인슐린 분비장애 뿐만 아니라 포도당대사의  주장기인 간장, 근육 및 지방세포에 대한 인슐린 작용의 저하(인슐린 저항성)가 병인으로 작용한다. 그러나 이러한 인슐린 저항성을 유발하는 유전자가 아직 명확히 밝혀져 있지 않기 때문에 아직 유전자 치료에 대한 성공적인 보고는 미미하다.   그런데 동물모델에서 렙틴을 이용한 유전자 치료가 비만을 치료하고 당뇨병을 예방할 수 있다는 보고가 있어, 앞으로 인슐린 저항성이 있는 제2형 당뇨병에서 매우 희망적인 유전자 치료법이 될 것으로 생각된다. 왜냐하면, 비만을 줄이는 것이 제2형 당뇨병에서 발견되는 인슐린 저항성을 호전시키고 베타세포의 기능장애를 일부 호전시킬 수 있기 때문이다. 또한, 최근에 인슐린 저항성을 유발한다고 알려진 비만세포에서 분비되는 Resistin도 같은 맥락에서 제2형 당뇨병의 유전자 치료에 이용될 수 있을 것이다.         제1형 및 2형 당뇨병에서의 유전자 치료   제1형 당뇨병과 제2형 당뇨병은 베타세포의 기능장애라는 공통점을 갖고 있다. 따라서 현재 임상적으로 시행되고 있는 췌장 및 췌도이식 방법과 인슐린 유전자 치료법 등과 같은 베타세포의 대체 치료법은 제1형 당뇨병 뿐만 아니라 제2형 당뇨병 일부에서 적용이 가능하리라 생각된다.   1. 세포사멸의 억제 (Inhibition of Apoptosis) 제1형 및 제2형 당뇨병의 병인에  췌도세포의 사멸과정이 깊게 관여한다. 따라서, 세포고사를 억제하는 유전자인 항세포고사 유전자 (anti-apoptotic gene)를 제1형 당뇨병에서 자가면역기전에 의한 베타세포 파괴가 완전히 일어나기 이전, 그리고 제2형 당뇨병에서 베타세포의 기능부전이 일어나기 이전에 베타세포에 항세포고사 유전자를 in vivo로 이입하는 것은 효과적인 베타세포의 보존을 위한 치료법이라고 할 수 있다. 실제로, 항세포고사 유전자인 BCL-2 유전자를 in vitro에서 herpes 바이러스를 벡터로 이용해 이입하였을 때, 싸이토카인의 독성효과에 대해 베타세포가 보호된다는 보고가 있다.   2. 베타세포의 조작 (Engineering of  -cell) 췌장의 베타세포를 당뇨병 환자에게 이식하기 위해서는 충분한 베타세포가 공급되어야 하는데 현실적으로 어려움이 많다 .따라서 이러한 췌장 베타세포의 무한정 공급을 위해서 베타세포에 oncogene을 발현시키거나 방사선조사를 통하여 베타세포를 immortalization시키는 방법이 있다. 그런데 만약 이러한 베타세포를 생체에 이식하였을 때는 무한정한 베타세포 증식에 의해 저혈당이 초래될 수 있다. 그래서 최근에는 이러한 베타세포의 무한정한 증식을 해결하기 위해 박테리아 테트라싸이클린 repressor( TC-tet)이나 cre recombinase (Cre-loxP DNA 방법)를 이용하여 특정조건 하에서만 증식이 가능하도록 조절하는 방법이 개발되고 있다.   3. 비(非)베타세포의 조작 (Engineering of non- -cell) 비(非)베타세포는 베타세포로 인식되지 않기 때문에 제1형 당뇨병에서 자가면역반응에 의한 세포파괴가 일어나지 않는다는 장점을 가지고 있다. 비베타세포로는 섬유아세포(fibroblasts), 근육세포(muscle cells), 피부각질세포(keratinocyte), 간세포(hepatocytes) 및 장관 K세포 등이 있으며, 이러한 비베타세포로 인슐린 유전자 치료를 성공시키기 위해서는 다음과 같은 문제점이 해결되어야 한다.   본 연구자들은 간세포(hepatocyte)를 대상으로 하여 인슐린 유전자 치료법을 연구 개발하여 상기한 이러한 문제점들을 극복하는데 성공하였기에, 이에 대해서 간략히 소개하기로 한다.   즉, 본 연구자들은 프로 인슐린에서 인슐린으로의 효소적 전환과정을 거치지 않고도 생체내에서 뛰어난 혈당강하 능력을 가지는 인슐린 유사체(mutant 프로인슐린, single-chain insulin analog, SIA) <Fig. 2>를 세계 최초로 개발하여 치료유전자로 사용하였고, 간세포에서 혈당농도의 변화에 따라 인슐린 유사체의 발현이 장기간 안정적으로 조절될 수 있도록 간세포 특이적인 L-type pyruvate kinase(LPK) 프로모터와 재조합 adeno-assosiated virus(rAAV) vector system을 이용하여 유전자치료를 시도한 결과, 스트렙토조토신 처리에 의해 인위적으로 당뇨병을 유발시킨 당뇨백서 모델이나 자가면역반응에 의해 당뇨병이 발증된다고 알려져 있는 non-obese diabetic(NOD) mice 모델에서 장기간(현재 1.5년 이상) 정상혈당을 유지하고 있는 매우 고무적인 실험결과를 얻게 되었다 (Fig. 3).   특히 autoimmune diabetic 모델인 NOD mouse 모델의 경우 간장에서 장기간 SIA가 발현됨에도 불구하고 별다른 면역반응이 유발되지 않았다는 사실은 rAAV-LPK-SIA를 이용한 유전자 치료책이 사람에게도 어느정도 치료적 가치를 가질 수 있음을 시사하는 매우 중요한 임상적 의미가 있다고 평가한다.   한편, 간장에서 LPK 프로모터에 의한 SIA의 발현은 혈당농도의 변화에 따라 매우 엄격하게 조절되었으며, 특히 정상대조백서에 재조합 virus particle을 주입한 경우에도 저혈당현상이 관찰되지 않은 것은 SIA를 이용한 유전자치료의 안정성을 입증해 준다.       또한 autoimmune diabetic NOD mice 모델의 경우 간세포에서 장기간 SIA가 발현됨에도 불구하고, 별다른 면역반응이 유발되지 않았다는 사실은 SIA를 이용한 유전자 치료책이 사람에게도 어느 정도 치료적 가치를 가질 수 있음을 시사한다.     결  론   유전자 치료법은 1980년대부터 그 가능성이 제기되어 왔고, 현재에 이르러서는 많은 임상 protocol이 확립된 상태이지만, 이러한 유전자 치료법 가운데 실제 임상적으로 만족할만한 결과를 보인 것은 드물다. 하지만 유전자 치료법은 분자생물학의 응용이기 때문에 질병의 DNA수준에서의 기전규명, 세포에서의 유전자발현의 조절기전 규명, 유전자 조작법의 발전 등 분자생물학의 기초가 발전함에 따라 유전자요법의 치료효과도 점차 개선되고 있는 추세이다.  그러나 앞으로 이러한 개념의 치료를 구체화하고 사람의 당뇨병 치료에 도입하기 위해서는 좀 더 사람과 유연관계가 가까운 대동물에 적용하여 그 가능성을 타진해 보아야 할 것으로 생각되며, 가까운 시일내에 당뇨병을 유전자 수준에서 간단히 치료하여 완치시킬 수 있는 유전자 치료법이 당뇨병의 표준치료방법 가운데 하나로 자리잡게 될 것으로 보인다. [출처: DiaTreat Vol. 1  No.1]