니트로글리세린이 함유된 피부 패치는 아래에 있는 임플란트를 제어하는 스위치입니다(상징적 이미지). 사진 제공: Josef Kuster / ETH Zurich
ETH 연구진은 피부에 바르는 상업적으로 이용 가능한 니트로글리세린 패치를 사용하여 활성화할 수 있는 새로운 유전자 스위치를 개발했습니다. 언젠가 연구자들은 이러한 종류의 스위치를 사용하여 다양한 대사 질환에 대한 세포 요법을 촉발하기를 원합니다.
예를 들어, 췌장의 특수 세포는 혈액 내 당의 양을 지속적으로 모니터링하여 신진대사를 정확하고 지속적으로 조절합니다. 식사 후 이 혈당 수치가 증가하면 신체는 혈당 수치를 다시 낮추기 위해 신호를 연쇄적으로 보냅니다.
당뇨병을 앓고 있는 사람들의 경우, 이 조절 메커니즘은 더 이상 제대로 작동하지 않습니다. 따라서 영향을 받는 사람들은 혈액에 당이 너무 많으므로 혈당 수치를 측정하고 이를 조절하기 위해 인슐린을 주사해야 합니다. 이것은 신체 자체의 메커니즘에 비해 상대적으로 부정확한 접근 방식입니다.
세포에 특수 기능 장착
Martin Fussenegger는 바젤에 있는 ETH Zurich의 생명 공학 및 공학과의 생명 공학 교수입니다. 위와 같은 상황을 염두에 두고 그와 그의 팀은 얼마 동안 세포 치료법을 연구해 왔습니다. 언젠가는 이러한 치료법을 통해 당뇨병과 같은 대사 질환을 개별적으로 정밀하게 치료하거나 심지어 완치할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
그러나 이러한 세포 치료는 어떻게 작용합니까?
연구진은 인간 세포에 특별한 능력을 부여하는 유전자 네트워크를 통합하여 인간 세포를 변형시킵니다. 예를 들어, 이러한 세포는 피부 아래에 이식되고 네트워크는 특정 외부 자극에 의해 활성화됩니다.
적절한 스위치가 핵심입니다
이를 위해 연구진은 최근 몇 년 동안 다양한 유형의 스위치를 개발했습니다. 일부는 전기로, 다른 일부는 빛으로, 심지어 영국 록 밴드 Queen의 음악을 사용하여 제어할 수 있습니다.
바젤의 연구원들은 이제 또 다른 변형을 개발하여 Nature Biomedical Engineering 저널에 발표했습니다.
"저에게 이 솔루션은 저와 제 그룹이 지금까지 구축한 최고의 유전자 스위치입니다. 그 이유는 오랫동안 확립된 활성 성분인 니트로글리세린을 사용하여 스위치를 트리거할 수 있고, 피부에 패치를 붙이는 적용 수단이 매우 간단하기 때문입니다. 해당 패치는 이미 모든 약국에서 다양한 크기로 구입할 수 있습니다"라고 Fussenegger는 말합니다.
니트로글리세린은 패치에서 피부로 빠르게 확산되어 변형된 인간 신장 세포가 포함된 임플란트와 만나게 됩니다.
산화질소에 의해 활성화되는 네트워크
이 세포는 특이적으로 니트로글리세린을 차단하고 이를 천연 신호 분자인 산화질소(NO)로 변환하는 내장 효소를 가지고 있습니다. 체내에서 NO는 일반적으로 혈관을 확장시켜 혈류량을 증가시킵니다. 몇 초 내에 분해되므로 매우 국부적인 영역에만 영향을 미칩니다.
이식된 세포는 NO가 화학적 메신저인 GLP-1의 생성과 방출을 유발하도록 변형되어 췌장의 베타 세포에 의한 인슐린 방출을 촉진하여 혈당 수치를 조절합니다. GLP-1은 또한 포만감을 유발하여 음식 섭취를 줄입니다.
새로운 스위치는 인간 구성 요소로만 만들어졌으며 다른 종의 구성 요소가 포함되어 있지 않습니다.
"이는 새롭고 획기적인 기능입니다. 다른 종의 성분을 사용하면 항상 잘못된 유발 작용, 신체 자체의 과정에 대한 간섭 또는 면역 반응의 위험이 있습니다. 여기서는 그런 가능성을 배제할 수 있습니다"라고 Fussenegger는 말합니다.
지난 20년 동안 ETH 교수는 다양한 유전자 스위치를 개발했으며, 그 중 일부는 전류, 음파 또는 빛과 같은 물리적 트리거에 반응합니다.
언젠가 구현될 가능성이 가장 높은 유형은 무엇입니까?
물리적 유발 요인은 우리 몸의 자체 과정을 방해하는 분자를 사용할 필요가 없기 때문에 흥미롭습니다. 전기 신호가 스마트폰이나 스마트워치와 같은 휴대용 전자 장치를 사용하여 스위치와 유전자 네트워크를 제어하는 데 이상적이며, AI도 통합될 수 있습니다.
"따라서 저는 전기유전자 세포 치료법이 구현 가능성이 가장 높다고 생각합니다. 화학적 전환과 관련하여, 저는 새로운 솔루션이 극점에 있다고 생각합니다"라고 Fussenegger는 말합니다.
“그러나 유전자 전환을 기반으로 하는 이러한 세포 치료법의 추가 개발은 복잡하고 긴 과정입니다. 성숙도를 높이기 위한 세포 치료법을 개발하려면 수십 년이 걸릴 뿐만 아니라 많은 인력과 충분한 자원이 필요합니다. 지름길은 없습니다."
지금까지 Fussenegger의 연구는 주로 10명 중 1명에게 영향을 미치는 세계에서 가장 흔한 대사 질환 중 하나인 당뇨병에 대한 세포 치료에 중점을 두었습니다.
"이것이 바로 우리가 연구하는 모델 질병입니다. 그러나 근본적으로는 다른 대사 질환, 자가면역 질환 또는 신경 퇴행성 질환에 대한 세포 치료법을 개발하는 것도 가능하며, 원칙적으로 동적 조절이 필요한 모든 질환에 대해서도 가능합니다."
”많은 약물은 문제를 맹목적으로 때리는 데 사용되는 망치와 같고, 반면에 세포 치료는 신체와 유사한 방식으로 문제를 해결한다"라고 퓌세네거는 언급합니다.
이상의 기사는 2025년 2월 14일 MedicalXpress에 게재된 “New gene switch activates with simple skin patch and could help treat diabetes”제목의 기사내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : New gene switch activates with simple skin patch and could help treat diabetes
* 추가정보 출처 : Nitroglycerin-responsive gene switch for the on-demand production of therapeutic proteins | Nature Biomedical Engineering