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제목 장내 미생물로 면역질환 치료한다
작성자 대외협력실 등록일 2017-02-28 조회 2076
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장내 미생물로 면역질환 치료한다

- 임신혁 IBS 면역 미생물 공생 연구단 그룹리더 -


▲ 임신혁 IBS 면역 미생물 공생 연구단 그룹리더는 장내 미생물과 면역계의 관계를 규명하는 연구를 수행하고 있다.

인터뷰 미리보기

Q: 면역 미생물 공생 연구단을 소개해주시기 바랍니다.
A: 연구단은 '몸속에서 살고 있는 미생물이 우리 면역계를 어떻게 조절하는가'라는 질문에 답을 찾고자 합니다. 찰스 서 단장은 특히 음식물이 우리 몸의 면역계 발달과 반응을 조절하는 메커니즘에 관해 연구하고 있습니다. 예를 들어 음식물 알레르기 현상의 원인인 과도한 면역 반응 메커니즘을 규명하는 연구를 수행하고 있으며, 이는 향후 음식물 알레르기 질환 치료제 개발에 활용될 수 있습니다. 저는 장내 미생물과 면역계의 관계 규명에 초점을 맞춰 연구하고 있습니다. 장은 음식물이 항상 유입되고, 미생물이 관여해 면역 반응이 일어나는 기관이므로 음식물과 미생물 이 두 가지를 함께 고려해야 합니다. 따라서 제 연구와 찰스 서 단장의 연구는 서로 보완적이라 할 수 있죠.

Q: 국내 제약회사에서 근무하시다가 이스라엘로 유학을 떠나 와이즈만연구소에서 박사학위를 받으셨습니다. 독특한 이력, 이유가 궁금합니다.
A: 종근당이라는 제약회사에 다니면서 면역을 공부하지 않고는 약을 개발하는 것이 힘들겠다고 생각했습니다. 그래서 고민 끝에 선택한 곳이 이스라엘 와이즈만연구소의 면역학과였습니다. 코팍손(Copaxone)이라는 다발성 경화증 면역조절제를 개발한 뒤 이스라엘 제약회사 테바(Teva)에 기술을 이전한 과학자들이 바로 이 학과 소속이었고, 이러한 기초연구기반 응용 연구를 상업화해서 학교와 나라에 큰 기여를 하는 학과였습니다. 'Bench-to-Bedside' 연구(임상 또는 실험 모델을 통해 질병의 진단·예방·치료기술의 생물학적 효과를 규명하는 연구)에 관심이 많던 저에게는 적절한 곳이라고 생각해 선택하게 됐습니다.

Q: 국제프로바이오틱스 학술대회(International Scientific Conference on Probiotics and Prebiotics) 회장을 맡고 계신데, 학회 소개 부탁드립니다.
A: 2010년부터 이 학회에 참여하기 시작했고, 4년간 학술 위원장을 역임했습니다. 회장은 2016년부터 맡게 됐습니다. 체내에서 유익한 효과를 내는 살아있는 균, 프로바이오틱스의 원리부터 응용까지 다루는 이 학술대회는 80개국에서 500여 명의 관련 연구자가 참석합니다. 올해 학회는 6월 19~22일에 헝가리 부다페스트에서 열립니다. 유럽은 프로바이오틱스 분야의 본거지인데, 학회를 통해 한국 기업도 소개하고 있습니다. 이 학회가 한국 기업들에게 유럽과 세계 시장에 진출할 수 있는 교두보가 되기를 바랍니다.

"우리 몸에 사는 미생물은 몸을 구성하는 세포 수보다 10배나 많습니다. 인간이 미생물한테 삶의 터전을 제공하는 격이죠. 사람의 건강을 결정하는 대부분의 요소는 미생물의 종류와 수, 다양성에 달렸다고 말할 수 있습니다."

포스텍 생명공학동 4층 연구실에서 만난 임신혁 IBS 면역 미생물 공생 연구단 그룹리더(포스텍 융합생명공학부 교수)는 장내 미생물의 중요성을 소개하며, 미생물과 면역계의 관계를 규명해 질병을 치료하는 것이 연구단의 목표라고 밝혔다. 그동안 그가 걸어온 연구이력과 IBS 면역 미생물 공생 연구단에서의 연구 방향에 대해 들어봤다.

질병은 유전보다 몸 속 미생물 탓?!

미국, 유럽 중심으로 진행된 '인간 마이크로바이옴 프로젝트(Human Microbiome Project)' 는 우리 몸의 중요 부위에 분포하는 모든 미생물의 유전체 정보를 밝혀내겠다는 계획인데, 현재 1단계가 끝난 상태다. 임 그룹리더는 "인간 게놈 프로젝트에서 유전체를 연구하면 건강을 제어할 수 있다고 생각했던 것처럼, 인간 마이크로바이옴 프로젝트는 미생물을 이해하면 우리 건강을 제어할 수 있을 것이라는 생각에서 시작됐다"며 "과거에는 질환 발병 요인 중 유전적 요인을 50~60%로 추정했지만, 요즘은 비유전적(환경적) 요인이 60% 이상을 차지하며, 그중에서도 미생물이 중요시되고 있다"고 설명했다.

"미생물(균)의 양, 수, 다양성을 포함해 균의 전체적인 분포도를 균총(microbiota)이라고 합니다. 질환과 장내 균총의 상관관계에 대해 세계적으로 많이 연구되고 있죠. 장내 미생물에 따라 항암제 투여 효과가 달라진다는 연구 결과도 있습니다. 장내 균총이 바뀌면 면역계와 신경계가 가장 큰 영향을 받습니다."

임 그룹리더의 연구 목표는 '환자 맞춤형 면역 조절 미생물'을 발굴하고, 이를 활용해 면역질환 치료에 기여하는 것이다. 특히 안전성이 확보된 프로바이오틱스 균들로부터 이러한 면역조절 균주를 발굴하고 그 작용 메커니즘을 밝히는 데 주력하고 있다.

면역 질환 치료 신념 하나로 걸어온 길

임 그룹리더는 고려대학교에서 학부 및 석사 과정을 마쳤으며, 유전자 재조합 연구로 석사학위를 받은 뒤, 종근당 R&D센터에서 연구원으로 일했다. 여기서 그는 약을 개발하려면 면역학을 공부해야겠다는 생각에 6년간 다니던 회사를 그만두고 이스라엘 와이즈만연구소 면역학과로 유학을 떠났다. 주변 사람들이 모두 말렸지만, '하고 싶은 것은 하고, 후회는 나중에 하자'는 자신의 좌우명대로 밀어붙였다. 그는 4년간 사라 푹스(Sara Fuchs) 교수의 지도하에 자가면역질환 중 하나인 중증근무력증에 대해 연구했다.

"근육의 힘이 없어지는 희귀질환인 중증근무력증은 우리나라에서도 1만 명당 1명꼴로 발병합니다. 신경 말단에서 아세틸콜린이란 신경전달물질이 분비되면 근육 말단의 수용체가 이 물질을 받아들여 신호가 전달되면서 근육이 수축되는데, 중증근무력증은 아세틸콜린 수용체에 대한 항체가 생겨 신호가 신경에서 근육으로 전달되지 못하는 질환이죠. 중증근무력증의 면역치료제를 개발하기 위해 아세틸콜린 수용체의 항체 형성을 막기 위한 경구 면역조절 단백질을 연구했습니다."

음식물에서 유래하는 단백질은 외부물질이지만 예외적으로 이에 대한 과민반응이 억제되는데, 이를 경구 면역 관용(oral tolerance)이라 한다. 이 경구 면역 관용 덕분에 우리는 안심하고 음식물을 섭취할 수 있다. 재조합 유전자 기술로 아세틸콜린 수용체를 많이 만든 뒤 쥐에게 이를 먹이면, 면역세포인 T세포를 억제해 아세틸콜린 수용체에 대한 항체 생성을 막는 것을 확인할 수 있었다.

임 그룹리더는 질병의 예방 차원뿐만 아니라 이미 걸린 면역 질환의 진행을 늦출 수 있는 치료제 개념을 고민하기 시작했다. 그는 이에 필요한 면역억제세포인 조절 T세포를 만들기 위해서는 인터류킨(IL)10이라는 면역억제 단백질(사이토카인)과 장내 환경이 중요하다는 사실을 알게 됐다.

"IL10이 없으면 경구 면역 관용이 일어나지 않는다는 것을 알게 됐어요. 또한, 재조합 아세틸콜린 수용체를 쥐에게 먹일 때 비교적 덜 깨끗한 동물실에서는 면역 억제 효과가 있다가 매우 깨끗한 환경으로 옮기니 오히려 효과가 없었습니다. 물질도 중요하겠지만 물질이 노출되는 장내 면역 환경이 중요하므로 장내 환경을 바꿔야 한다고 생각했죠."

임 그룹리더는 '경구 면역 관용을 이용한 면역 조절제(자가면역 및 알레르기 질환 치료제)'를 개발하겠다는 꿈을 안고, IL10 유전자 발현 조절 기작에 관한 분자면역학 수준의 연구를 하고자 하버드의대로 갔다. 박사후연구원 기간 동안 암 연구소(CRI)로부터 연구비를 지원받았고, 세계적인 면역학자로 인정받는 안자나 라오(Anjana Rao) 교수의 지도하에 IL10 유전자 발현조절 기작에 대한 분자 수준의 후성유전체학적 역할에 대한 연구에 몰두했다.


▲ 임 그룹리더는 '면역 질환 치료제 개발'이라는 꿈을 위해 연구에 매진하고 있다.

'유산균 5형제'를 뛰어넘는 연구

2004년 광주과학기술원(GIST) 생명공학부 교수로 부임한 그는 IL10의 생성을 촉진시킬 수 있는 균을 찾아야겠다는 생각으로, 먹을 수 있는 균 중 IL10을 많이 만들어 내는 균, 즉 프로바이오틱스를 찾기 시작했다. 그는 선별 기준을 마련해 장내 균총 중 유산균 몇 종을 찾아냈고, 이들 유산균을 쥐에게 먹였다. 그 결과 선별된 유산균들은 관절염, 아토피, 장내 염증, 다발성 경화증, 중증근무력증 등을 억제한다는 사실을 확인했다.

특히 그는 IL10 생성 균 중에서 면역조절 T세포를 효과적으로 활성화하는 유산균 5종을 찾았는데, 이 5종의 조합이 관절염, 피부질환, 중증근무력증, 포도막염, 소아당뇨 등을 억제한다는 사실을 밝혀내 2010년 1월 미국국립과학원회보(PNAS)에 발표했다. 이 논문은 관련 분야에서 가장 인용회수가 높은 논문 중 하나로 꼽힐 만큼 연구 성과의 파급력이 크다(335회 인용). 그는 이 유산균 5형제를 'IRT(Immune Regulation and Tolerance, 면역조절 및 관용)5'라고 불렀다. 그의 설명에 따르면, IRT5는 면역조절 T세포의 활성을 높이고 T세포의 수도 2배 이상 증가시켜 면역반응을 억제했다. 또한, IRT5에 의해 증가한 장내 면역조절 T세포는 다른 염증 부위로 이동해 위치에 관계없이 모든 염증을 가라앉히는 효과도 있었다.

그러나 임 그룹리더는 균이 면역계에 미치는 영향을 보다 자세히 분석하기 위한 연구에 한계를 느꼈다. 면역학 연구에 필수적인 환경, 무균생쥐시설과 같은 핵심적인 인프라가 필요했지만, 시설 구축이 현실적으로 어려웠기 때문이었다. 그러던 중, 찰스 서 IBS 면역 미생물 공생 연구단 단장이 그에게 IBS 합류를 제안했다. 그는 제안을 받아들여 2014년 포스텍으로 옮겼다. 임 그룹리더는 "IBS 면역 미생물 공생 연구단의 무균시설은 경쟁력 있는 시설"이라며 "무균생쥐를 통해 특정 균에 의한 면역조절 T세포의 발달과 분화 양상을 관찰할 수 있다"고 밝혔다. 또한, "센터의 이 무균생쥐 시설이 국가적인 시설로 확충되어 한국 내 다른 면역학자들에게도 무균 생쥐를 공급할 수 있다면, 한국 면역학 발전에 크게 기여할 수 있을 것"이라 말했으며, 국가적인 차원에서 지원이 절실하다고 강조했다.


▲ IBS 면역 미생물 공생 연구단의 무균시설은 국내에 처음으로 구축된 시설로, 특정 세균이 면역계에 미치는 영향을 밝혀내는 연구에 필수적이다.

한편, 임 그룹리더는 2015년 8월, 전남대 연구진과 함께 세균 유래물질인 플라젤린(flagellin)과 알레르기 항원을 혼합해 천식 생쥐에 투여하면 천식이 완치된다는 사실을 발견, '알레르기 및 임상면역학 저널'에 발표하기도 했다. 그는 "적을 이용해 내 안의 적을 공격하는 방법으로, 세균 유래물질을 이용해 과민면역을 제어하는 방식으로 치료하는 것"이라고 설명했다.

현재 임 그룹리더는 '유산균 5형제' IRT5의 성과를 뛰어넘는 연구를 진행하고 있다. 면역조절세포의 분화와 증식을 선택적으로 유도할 수 있는 비피도박테리아 균주를 새롭게 발굴하여, 균 자체가 만들어 내는 대사산물뿐만 아니라, 균의 세포벽에 존재하는 특정 구조의 당(탄수화물)도 여러 질병 치료에 관여함을 밝혀내고 있다. 그는 "이러한 연구는 프로바이오틱스가 더이상 단순한 기호식품이 아닌, '미생물치료제'로 활용될 수 있다는 개념을 새롭게 제시하는 연구"라며 "현재 가시적인 성과를 눈앞에 두고 있다"고 자신감을 피력했다. 그는 "앞으로 면역조절 유산균을 찾아서 면역억제 기능뿐 아니라 면역증강 기능도 연구할 계획"이라며 "예를 들어 맞춤형 유산균으로 면역증강 후, 항암제를 투여하면 항암제 효과가 높아질 것"이라고 말했다. 프로바이오틱스, 면역과민질환(알레르기, 아토피, 자가면역질환) 치료물질을 개발하기 위한 그의 노력은 계속될 것이다.

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최종수정일 2017-09-19 19:20