발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• LRG1 단백질: 혈청에 풍부하게 존재하며 다양한 질환의 바이오마커로 주목받아 왔습니다. 기존에는 TGF-β 신호 전달 경로를 통해 병리학적 혈관 신생을 촉진하는 것으로 알려졌습니다.

• 기존 메커니즘의 한계: LRG1과 TGF-β 보조 수용체(ENG)의 결합 친화력이 상대적으로 약해(~2.9 μM), 혈관 및 신경 재생 효과를 충분히 설명하기 어려웠습니다.

• 당뇨 합병증의 어려움: 당뇨병으로 인한 발기부전, 혈관병증, 신경병증은 기존 치료제(PDE-5 저해제 등)에 약 30%의 환자가 반응하지 않아 근본적인 치료법 개발이 시급한 실정입니다.

기술의 필요성

• 새로운 치료 타겟 발굴: 기존 TGF-β 경로와 독립적으로 작용하는 LRG1의 새로운 신호 전달 경로를 규명하여, 치료의 한계를 극복할 필요가 있습니다.

• 복합 질환 동시 치료: 혈관과 신경은 유사한 발생 메커니즘을 공유하므로, 두 네트워크를 동시에 타겟팅하는 치료 전략은 당뇨 합병증과 같은 복합 질환 치료에 매우 효과적일 수 있습니다.

• 근본적인 치료제 개발: 기존 치료법에 반응하지 않는 환자들을 위해, 손상된 혈관과 신경을 직접 재생시키는 근본적인 치료제 개발이 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 신규 수용체 발견: 본 발명은 LRG1이 기존에 알려진 TGF-β 경로와는 별개로, 새로운 수용체인 LPHN2(Latrophilin-2)와 결합하는 것을 최초로 규명했습니다.

• 활성화 메커니즘 규명: 특히 당뇨병과 같은 고혈당 조건에서 LRG1의 당(glycan)이 제거되는 '탈당화(deglycosylation)' 현상이 일어나며, 이 탈당화된 LRG1(DG-LRG1)이 LPHN2와 매우 강력하게 결합합니다.

• 독자적 신호 전달 경로 활성화: 탈당화된 LRG1과 LPHN2의 결합은 Lyn, AKT, NF-κB p65로 이어지는 하위 신호 전달 체계를 활성화시켜 혈관 내피세포와 신경세포의 성장, 이동, 분화를 직접적으로 유도합니다.

구체적인 구현 방법

1. 신규 수용체 동정: 프로테오믹스 기반의 리간드-수용체 포획 기술(LRC-TriCEPS)을 이용하여 LPHN2를 LRG1의 새로운 세포 표면 수용체로 동정했습니다.

2. 탈당화 현상 및 효과 검증: 고혈당 조건에서 LRG1이 자연적으로 탈당화됨을 확인하고, 인공적으로 탈당화시킨 LRG1이 정상 조건에서도 혈관 신생 및 신경 영양 효과를 나타내는 것을 입증했습니다.

3. LRG1 변이체 제작: LRG1의 특정 글리코실화 부위(N290 등)에 변이를 가하여, 탈당화된 상태를 모방하는 LRG1 당단백질 변이체를 제작합니다. 이 변이체는 그 자체로 높은 치료 활성을 가집니다.

4. 융합 단백질 개발: 안정성과 체내 반감기를 높이기 위해 탈당화된 LRG1 또는 그 변이체를 면역글로불린의 Fc 도메인과 융합한 단백질 의약품 형태로 개발합니다.

기술의 장점

• 우수한 치료 효과: 기존의 천연 LRG1 대비 현저히 우수한 혈관 신생, 신경 성장 및 신경 재생 효과를 나타냅니다. (결합 친화도 약 2배 증가)

• 새로운 작용 기전: TGF-β에 비의존적인 LPHN2 매개 신호 전달을 이용하므로, 기존 치료제와는 다른 새로운 접근 방식을 제공합니다.

• 광범위한 적용 가능성: 혈관 및 신경 재생이 필요한 다양한 질환(허혈성 질환, 말초신경질환, 발기부전, 퇴행성 신경질환 등)에 폭넓게 적용 가능합니다.

• 간접적 재생 효과: 신경세포에서 NGF, BDNF, NT-3 등 신경 영양인자 발현을 향상시켜 간접적인 신경 재생 효과까지 유도합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 발명의 실험은 LRG1의 TGF-β 비의존적 신규 수용체를 발굴하고, 고혈당 조건에서의 기능적 활성화 메커니즘을 규명하는 것을 목표로 했습니다. 또한, 탈당화된 LRG1 및 그 변이체가 실제로 혈관 신생과 신경 재생에 미치는 우수한 효과를 in vitro(세포 실험) 및 in vivo(동물 실험) 환경에서 검증하고자 했습니다.

실험 방법 및 과정

1. 신규 수용체 동정: LRC-TriCEPS 기술을 이용하여 살아있는 HEK293T 세포에서 LRG1에 결합하는 막 단백질 LPHN2를 발굴했습니다.

2. 탈당화 및 결합력 분석: 고혈당 배지에서 배양하거나 PNGase F 효소를 처리하여 탈당화된 LRG1(DG-LRG1)을 제작하고, 고체상 결합 분석 및 FACS 분석을 통해 LPHN2에 대한 결합 친화도 증가를 확인했습니다.

3. 세포 기능 분석: HUVEC 세포를 이용한 관 형성(Tube formation) 및 세포 이동(Cell migration) 분석, DRG 및 피질 뉴런 외식편을 이용한 신경돌기 성장 분석을 수행했습니다.

4. 동물 모델 효능 검증: 스트렙토조토신(STZ)으로 유도된 당뇨병 마우스 모델에 LRG1-Fc 융합 단백질을 주사하여 발기 기능 회복, 혈관 신생 및 신경 재생 효과를 평가했습니다.

실험 결과

핵심적인 실험 결과, LRG1 단백질의 탈당화가 LPHN2 수용체와의 결합력을 극적으로 향상시키는 것으로 나타났습니다. 아래 표는 천연 LRG1과 탈당화된 LRG1(DG-LRG1)의 결합 친화도 및 세포 표면 결합률을 비교한 데이터입니다.

특허 명세서 실시예 5.

결과적으로, 탈당화된 LRG1은 천연 LRG1에 비해 LPHN2에 대한 결합력이 약 2배 강해졌으며, 실제 세포 표면 결합률도 최대 94.5%까지 증가했습니다. 이는 DG-LRG1이 당뇨병 동물 모델에서 보인 강력한 혈관 및 신경 재생 효과의 핵심적인 원인임을 입증합니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 허혈성 질환 치료제: 허혈성 심장/뇌/말초 혈관 질환, 당뇨성 혈관 합병증 등 혈류 공급 감소로 인한 조직 손상을 치료하는 데 활용될 수 있습니다.

• 말초신경질환 치료제: 당뇨성 신경병증, 수술 또는 외상 후 말초신경 손상 등 손상된 신경의 재생을 촉진하는 치료제로 개발 가능합니다.

• 발기부전 치료제: 특히 당뇨 합병증으로 인한 혈관성 및 신경인성 발기부전 환자를 위한 새로운 개념의 근본적인 치료제로 활용될 수 있습니다.

• 퇴행성 신경질환 치료제: 알츠하이머, 파킨슨병 등 신경세포의 퇴행을 억제하고 재생을 돕는 치료제로의 확장 가능성을 가집니다.

기대효과

• 혁신 신약 개발: 기존 치료제에 반응하지 않는 환자들에게 새로운 치료 옵션을 제공하는 혁신 신약(First-in-Class) 개발이 가능합니다.

• 삶의 질 향상: 증상 완화가 아닌, 손상된 조직의 근본적인 재생을 통해 환자의 삶의 질을 획기적으로 개선할 수 있습니다.

• 경제적 파급 효과: 고성장하는 관련 질환 치료제 시장에서 기술 우위를 선점하여 높은 부가가치를 창출할 것으로 기대됩니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

본 기술이 타겟하는 주요 시장인 발기부전, 허혈성 질환, 당뇨병성 신경병증 치료제 시장은 고령화, 만성 질환 환자 증가 등의 요인으로 인해 지속적인 성장이 예상되는 유망한 분야입니다.

• 발기부전 치료제 시장: 전 세계 시장은 2023년 45억 4천만 달러에서 연평균 7.6% 성장하여 2030년에는 75억 7천만 달러에 이를 것으로 전망됩니다. (출처: GIIKOREA) 국내 시장 역시 2022년 1,291억 원으로 역대 최고치를 기록했습니다. (출처: 데일리팜)

• 허혈성 질환 치료제 시장: 전 세계 시장은 2020년 15억 8천만 달러에서 연평균 5.4% 성장하여 2027년 22억 9천만 달러 규모에 이를 것으로 예상됩니다. (출처: 한국보건산업진흥원)

• 당뇨병성 신경병증 시장: 글로벌 시장은 2022년 약 37.7억 달러에서 2030년 약 62.9억 달러 규모로 성장이 전망됩니다. (출처: 이데일리)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

현재 발기부전 치료제 시장은 PDE-5 저해제 기전의 약물들이 시장을 주도하고 있습니다. 특히 국내 시장에서는 오리지널 의약품의 특허 만료 이후 다수의 제네릭 제품이 출시되어 치열한 경쟁을 벌이고 있으며, 국내 제약사들이 높은 점유율을 차지하고 있습니다.

출처: 데일리팜

본 기술은 기존 약물과는 전혀 다른 새로운 작용 기전을 가지므로, 경쟁 시장에서 '계열 내 최초(First-in-class)' 약물로서 독자적인 위치를 확보할 수 있는 잠재력이 매우 큽니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 인구 고령화 및 만성 질환 증가: 전 세계적인 고령화 추세와 당뇨병, 심혈관 질환 등 만성 질환의 유병률 증가는 관련 치료제 시장의 지속적인 성장을 견인하는 가장 큰 요인입니다.

2. 기존 치료제의 한계 및 미충족 수요: 기존 PDE-5 저해제에 반응하지 않거나 부작용으로 사용이 어려운 환자군이 존재하며, 이는 새로운 기전의 치료제에 대한 높은 미충족 의료 수요(Unmet medical needs)로 이어집니다.

3. 재생의료 기술 발전: 손상된 조직과 기능을 근본적으로 회복시키는 재생의료에 대한 관심과 투자가 증가하고 있어, 본 기술과 같은 혁신적인 접근법이 주목받고 있습니다.

4. 사회적 인식 개선: 발기부전과 같은 질환에 대한 사회적 인식이 개선되면서 적극적으로 치료를 받고자 하는 환자들이 늘어나고 있어 시장 확대에 긍정적인 영향을 미치고 있습니다.