Exploring Dysfunctional Barrier Phenotypes Associated with Glaucoma Using a Huma

인생-공부 2025. 3. 24.

녹내장은 시신경의 점진적인 손상과 망막 신경절 세포(RGC)의 소실로 이어지는 복잡한 신경퇴행성 질환입니다. 본 연구는 이러한 신경퇴행 과정에서 혈관 장벽의 기능 이상이 어떤 식으로 발생하는지를 인체 유래 만능줄기세포(hPSC)를 이용한 in vitro 모델을 통해 분석하고자 하였습니다. 특히 연구진은 RGC, 성상세포(astrocyte), 그리고 미세혈관 내피세포(MVEC)를 hPSC로부터 각각 분화시키고 이를 Transwell® 시스템으로 구성하여 신경혈관 단위를 재현했습니다. 정상 세포와 녹내장 관련 OPTN(E50K) 돌연변이 세포를 비교한 결과, OPTN(E50K) 세포는 장벽 무결성에 부정적인 영향을 주며, 이 과정에서 성상세포가 분비하는 TGFβ2가 중심적 역할을 한다는 사실을 밝혔습니다. TGFβ2의 농도를 인위적으로 조절하거나 억제함으로써 이러한 장벽 기능 이상을 부분적으로 복원할 수 있다는 것도 입증하였습니다.

연구 배경 및 중요성

녹내장은 전 세계적으로 실명의 주요 원인 중 하나로, 근본적인 치료법이 부재한 상태입니다. 기존 연구는 주로 망막 신경절 세포(RGC)의 소실에 초점을 맞추었으나, 최근에는 혈관 기능 이상 역시 중요한 병리 기전으로 대두되고 있습니다. 특히 RGC와 astrocyte, MVEC 등이 상호작용하는 신경혈관 단위(neurovascular unit)는 독성 물질이 신경조직으로 유입되는 것을 막는 물리적 장벽으로 기능하며, 이 장벽의 기능 이상은 신경세포의 손상에 결정적인 역할을 할 수 있습니다. 따라서 장벽 기능 이상을 체계적으로 분석할 수 있는 모델 시스템 구축은 녹내장 병태생리의 이해를 위한 필수적 요소로 평가됩니다.

연구 목적 및 배경

이 연구의 주된 목적은 인간 유래 만능줄기세포(hPSC)를 기반으로 신경혈관 장벽 모델을 구축하고, 이 모델을 활용하여 녹내장 관련 OPTN(E50K) 돌연변이가 장벽 무결성에 미치는 영향을 규명하는 것입니다. 더 나아가, 장벽 기능 이상을 유도하는 분자적 메커니즘을 규명하고, TGFβ2라는 후보 인자의 역할을 검증하고자 하였습니다. 이로써 녹내장의 병리 메커니즘을 심층적으로 분석할 수 있는 새로운 플랫폼을 제시하고자 했습니다.

연구 방법

hPSC로부터 RGC, astrocyte, MVEC를 각각 분화시켜 고순도로 확보
분화된 세포를 Transwell® 시스템에 배양하여 in vitro 장벽 모델 구성
정상 대조군과 OPTN(E50K) 돌연변이 세포군 간의 TEER 및 투과성 비교
Rhodamine 123 및 sodium fluorescein을 이용한 장벽 기능 분석
Occludin, Claudin-5, ZO-1 등 Tight Junction 단백질 발현 및 위치 분석
RNA-seq 및 ELISA를 통한 TGFβ2 발현 수준 비교
TGFβ2의 외인성 첨가 및 중화항체 처리로 기능적 변화 실험

세포 분화는 기존 확립된 프로토콜을 기반으로 수행되었으며, 모든 세포는 고순도의 마커 발현으로 검증되었습니다. Transwell 시스템을 활용한 공배양 실험에서는 장벽의 저항(TEER), 투과도, efflux transporter 활성, tight junction protein의 발현과 위치 등을 정량적으로 측정하였습니다. 추가적으로, TGFβ2가 장벽 이상을 유도하는 중심적인 인자인지를 확인하기 위해 RNA 발현 분석과 단백질 정량 분석을 병행하였습니다.

주요 발견 및 결과

정상 세포(RGC 및 astrocyte)와 함께 배양된 MVEC는 장벽 저항이 증가하고 투과성이 낮아지며, 이는 장벽 기능이 강화됨을 의미합니다. 반면, OPTN(E50K) 돌연변이를 보유한 세포와의 공배양에서는 TEER 감소, 투과성 증가, efflux 기능 저하, Occludin localization 감소 등의 기능 이상이 나타났습니다. RNA-seq 및 ELISA 분석 결과, OPTN(E50K) astrocyte에서 TGFβ2의 발현이 유의하게 증가하였으며, 이를 외인적으로 처리한 실험에서도 장벽 기능 저하가 유사하게 나타났습니다. 반대로 TGFβ 중화항체를 처리하면 장벽 기능이 회복되는 결과를 확인했습니다.

실험 결과 요약

항목	결과
TEER 변화	정상군에서 증가, OPTN(E50K)군에서 감소
투과성 (Sodium fluorescein)	정상군에서 감소, OPTN(E50K)군에서 증가
Efflux 기능 (Rhodamine 123)	OPTN(E50K)군에서 감소
Tight junction localization	Occludin만 비정상적 위치 변화
TGFβ2 발현	OPTN(E50K) astrocyte에서 유의하게 증가
TGFβ2 기능 조절	외인성 첨가 시 장벽 기능 저하, 항체 처리 시 기능 회복

이러한 결과는 OPTN(E50K) 돌연변이가 astrocyte를 통해 TGFβ2 분비를 증가시키고, 이로 인해 혈관 내피 장벽 기능이 저하됨을 보여줍니다. 이는 녹내장에서의 새로운 병리적 메커니즘을 시사합니다.

한계점 및 향후 연구 방향

본 연구는 pericyte 및 microglia와 같은 추가적인 혈관 관련 세포가 포함되지 않은 간소화된 모델이라는 한계를 지니고 있습니다. 따라서 더욱 정교한 in vivo-like 모델로 확장될 필요가 있습니다. 또한 현재 모델은 급성 변화 측정에 적합하므로, 장기적인 만성 모델 개발이 요구됩니다. 향후 연구에서는 다양한 cell-cell interaction을 고려한 3D 모델, 장기배양 시스템, 또는 동물 모델을 활용한 복합적 검증이 필요할 것입니다.

결론

이 연구는 hPSC 기반의 신경혈관 장벽 모델을 활용하여 녹내장 관련 OPTN(E50K) 돌연변이가 장벽 기능에 어떤 영향을 주는지를 최초로 체계적으로 분석한 연구입니다. TGFβ2가 병적 과정에서 중심적인 역할을 한다는 것을 입증함으로써 향후 녹내장 치료 타겟으로서의 가능성을 제시하였습니다.

개인적인 생각

본 논문은 세포 간 상호작용, 특히 astrocyte와 혈관 내피세포 간의 관계에 집중한 점에서 매우 흥미로웠습니다. 단순히 RGC의 변화를 넘어, 주변 세포가 어떻게 병적 신호를 전달하고 장벽 기능에 영향을 미치는지를 구조화된 시스템에서 분석했다는 점은 큰 학문적 기여입니다. 특히 TGFβ2의 분비 조절로 장벽 기능을 회복할 수 있다는 결과는 치료적 개입의 가능성을 제시한다는 점에서 임상적 가치도 높다고 생각합니다. 다만 모델의 단순성은 일정한 한계를 지니므로, 후속 연구에서는 다세포 간의 복합 상호작용을 고려한 실험 디자인이 병행되어야 할 것입니다.

자주 묻는 질문(QnA)

Q1. OPTN(E50K) 돌연변이는 무엇인가요?
A1. OPTN 유전자에서 발견되는 녹내장 관련 변이로, 세포 내 자가포식 및 신경퇴행에 영향을 미칩니다.
Q2. TEER이란 무엇인가요?
A2. Trans-endothelial electrical resistance의 약자로, 세포 장벽의 저항도를 측정해 장벽 무결성을 평가하는 지표입니다.
Q3. Transwell® 모델의 장점은 무엇인가요?
A3. 세포 간 직접 접촉 없이도 paracrine 신호에 의한 기능 변화 측정이 가능하며, 높은 재현성과 간단한 구조가 특징입니다.
Q4. TGFβ2는 어떤 역할을 하나요?
A4. 성장 인자로서 세포 분화, 증식, 장벽 기능 등에 관여하며, 본 연구에서는 장벽 기능 저하의 중심 인자로 작용합니다.
Q5. 이 모델은 임상에 어떻게 활용될 수 있나요?
A5. 새로운 약물 후보군의 선별, 병리기전 검증, 유전자 기능 연구 등에 활용될 수 있습니다.
Q6. 왜 Occludin만 localization 변화가 있었나요?
A6. 이는 장벽 단백질 간 상호보완적 역할 때문일 수 있으며, Occludin의 민감성이 높은 것으로 해석됩니다.

용어 설명

RGC: Retinal Ganglion Cell, 망막 신경절 세포로 녹내장에서 가장 먼저 손상되는 세포
Astrocyte: 성상세포, 중추신경계의 지지세포로 신경 보호 및 대사 조절에 관여
MVEC: Microvascular Endothelial Cell, 미세혈관 내피세포로 혈관 장벽을 형성
TEER: Trans-endothelial Electrical Resistance, 세포 장벽의 저항 측정 지표
TGFβ2: Transforming Growth Factor Beta 2, 성장 인자 중 하나로 장벽 기능에 영향을 미침
Transwell®: 상·하부 세포 간 paracrine signaling을 연구할 수 있는 장치
Claudin-5, ZO-1, Occludin: Tight junction 단백질로 세포 간 장벽 형성에 관여
hPSC: human Pluripotent Stem Cell, 인간 유래 만능줄기세포
ELISA: 특정 단백질의 양을 정량적으로 측정하는 면역효소법
Efflux transporter: 세포 내 물질을 외부로 내보내는 운반체, 약물 저항성과 관련