궤양성 대장염의 병리적 특성과 치료의 한계점

궤양성 대장염 (ulcerative colitis)과 크론병 (Crohn's disease)으로 구분되는 염증성 장질환 (inflammatory bowel disease)은 유전 요인이 있는 사람에게서 장 균총과 식품 유래 물질에 대한 과도한 면역 반응이 지속될 때 발병하는 것으로 알려져 있다 (1). 궤양성 대장염은 대장 및 직장에서 염증의 발생 및 회복이 반복되는 만성 질환으로, 직장에서 증상이 시작해 대장 전체로 진행된다 (2). 30-40대 청년층에서 빈번한 궤양성 대장염은 한국에서도 유병률이 빠르게 증가하고 있으며 (그림 1) 약물과 수술을 비롯한 다양한 치료에도 불구하고 재발이 흔해 사회적·경제적 부담이 크다고 할 수 있다 (3, 4).

유전적 및 환경적 요소들이 복합적으로 작용하는 궤양성 대장염은 신체의 면역 세포가 밀집된 lamina propria와 장 균총 (microbiome) 사이의 상호작용을 매개하는 장 점막 (intestinal epithelium) 층의 붕괴가 발병의 핵심이다 (그림 2a). 자세히 설명하면, 사람에게 선천적으로 존재하는 HNF4A (human leukocyte antigen) 및 CDH1 등의 유전적 돌연변이에 의해 장 점막 층이 약화 및 붕괴되면 장 균총에서 유래된 항원들이 lamina propria로 유입된다. 이로 인해 활성화된 면역세포들은 tumor necrosis factor alpha (TNFα) 및 interferon gamma (IFNγ)와 같은 염증 사이토카인 (inflammatory cytokines)들을 분비해 광범위하고 과도한 염증을 유발함으로써 장 점막 붕괴를 만성화 시킨다 (그림 2a) (5). 그러므로 장 균총과 lamina propria의 항상성을 회복해 염증을 완화시킬 수 있는 점막 회복 (mucosal healing)은 임상적 관해를 넘어 궤양성 대장염 치료의 핵심이 된다.

Anti-TNFα 항체 및 Tofacitinib과 같은 생물학 제제 (biologic drugs) 및 면역 저해제 (immunosuppressant)는 과도한 염증을 완화해 점막 회복을 유도하려는 목적으로 개발된 약물들로, 중증 및 심각한 궤양성 대장염의 원인이 되는 염증 신호들을 억제 및 차단한다. Anti-TNFα 항체는 염증 사이토카인인 TNFα에 특이적으로 결합함으로써 하위 염증 신호를 억제하며, Tofacitinib은 염증 사이토카인들이 결합해 신호를 전달하는 receptor인 Janus kinase (JAK)의 kinase domain에 존재하는 ATP 결합 부위에 경쟁적으로 결합해 JAK의 phosphorylation을 차단한다. 최종적으로 signal transducer and activator of transcription factor (STAT)의 phosphorylation도 차단되어 염증 신호를 유발하는 유전자들의 발현이 억제된다 (그림 2b) (6).

그러나 해당 약물들의 명확한 기전과는 달리 복용한 환자의 30%가 최초 투여에 반응하지 않거나 (일차 무반응), 기존 약물에 반응이 있었던 환자도 재발 후 반응을 잃어버리는 단점 (이차 반응 소실)이 있다 (7). 따라서 일차 무반응 및 이차 반응 소실의 원인을 규명하고 환자의 반응성을 예측하는 연구가 필요하나, 유전적 및 환경적 요소들이 복합적으로 작용하는 궤양성 대장염 환자 개개인의 병리적 특성을 실험실에서 재현할 수 없는 기술적 한계로 인해 이런 연구는 제한적으로 수행되었다.

오가노이드: 궤양성 대장염 연구를 위한 모델

장 오가노이드는 성인 장 줄기 세포로부터 유래되어 장 점막과 유사한 구조로 분화된 3차원 클러스터로서 (그림 3a), 유래한 세포의 유전적 특성을 보존하면서 자가 재생, 분화 및 조직화가 가능해 생체은행으로 장기간 보관 및 재사용이 가능하다 (8). 이와 더불어 주변 미세 환경 구성 요소 및 신호 전달 경로 조작이 용이하므로 궤양성 대장염 환자 개개인의 병리적 특성을 재현할 수 있는 연구 모델로 사용하고 있다 (9). 구체적으로, 장 오가노이드는 조직 확보 당시의 유전적 및 후생유전적 (epigenetic) 변이들을 보존하고 있으므로, 궤양성 대장염 진행에 따른 변이들이 장 점막의 줄기 세포 및 분화 과정에 미치는 영향을 확인할 수 있다 (10). 뿐만 아니라 1년 넘게 장기 배양이 가능한 장 오가노이드는 환자 유래 장 균총, 면역 세포, metabolite(s), adipocytes, mesenchymal cells, 또는 fibroblasts를 함께 배양해 점막, lamina propria, 그리고 장 균총의 상호작용을 재현함으로써 장 점막의 붕괴 및 회복을 분자 수준에서 분석 할 수 있다 (10).

그러므로 장 오가노이드 모델은 약물에 대한 환자의 반응 유무를 예측하고 그 기전을 연구하는데 활용 될 수 있다. 첫 번째로, Tofacitinib에 대한 장 오가노이드의 반응 유무가 유래한 궤양성 대장염 환자의 반응성에 따라 다르다면 (그림 3b) 이를 기반으로 환자의 Tofacitinib 반응성을 치료 전에 확인할 수 있을 것이다. 두 번째로, TNFα 처리에 대한 장 오가노이드의 사멸 정도가 유래한 궤양성 대장염 환자의 anti-TNFα 항체 반응 유무에 따라 유의미한 차이를 보인다면 이를 토대로 환자의 반응성을 유추할 수 있을 것이다 (그림 3c). 더 나아가 장 오가노이드 공배양 (co-culture) 모델을 활용해 장 점막에 대한 Tofacitinib 및 TNFα에 대한 반응성과 민감도에 차이가 발생하는 기전을 분자 수준에서 분석해 해당 약물에 반응을 보이는 환자와 그렇지 못한 환자를 구분하는 특성들을 동정할 수 있다. 최종적으로 기존 생물학 제제가 갖는 단점의 원인을 분석함으로써 새로운 신약 개발의 단서를 제공 할 수 있을 것이다.

References

• 1. Abraham, C. and Cho, J. H. 2009. Inflammatory bowel disease. N. Eng. J. Med. 361, 2066-2078
• 2. Ungaro, R., Mehandru, S., Allen, P. B., Peyrin-Broulet, L., and Colombel, J. 2017. Ulcerative Colitis. Lancet. 389, 1756-1770
• 3. Yang, S. K., Yun, S., Kim, J. H., Park, J. Y., Kim, H. Y., Kim, Y. H., Chang, D. K., Kim, J. S., Song, I. S., Park, J. B., Park, E. R., Kim, K. J., Moon, G., and Yang, S. H. 2008. Epidemiology of inflammatory bowel disease in the Songpa-Kangdong district, Seoul, Korea. 1986-2005: A KASID study.Inflamm. Bowel Dis. 14, 542-549
• 4. Coward, S., Clement, F., Benchimol, E. I., Bernstein, C. N., Avina-Zubieta, J. A., Bitton, A., Carroll, M. W., Hazlewood, G., Jacobson, K., Jelinski, S., Deardon, R., Jones, J. L., Kuenzig, M. E., Nguyen, G. C., Otley, A. R., Panaccione, R., Rezaie, A., Rosenfeld, G., Peña-Sánchez, J. N., Singh, H., Targownik, L. E., and Kaplan, G. G. 2019. Past and future burden of inflammatory bowel disease based on modeling of population-based data. Gastroenterology. 156, 1345-1353
• 5. Eisenstein, M. 2018. Gut reaction. Nature. 563, S34-35
• 6. Danese, S., Vuitton, L., Peyrin-Biroulet, L. 2015. Biologic agents for IBD: practical insights. Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 12, 537-545.
• 7. Bilsborough, J., Targan, S. R., and Snapper, S. B. 2016. Therapeutic targets in inflammatory bowel disease: current and future. Am. J. Gastroenterol. Suppl. 3, 27-37
• 8. Fatehullah, A, Tan, S. H., and Barker, N. 2016. Organoids as an in vitro model of human development and disease. Nat. Cell Biol. 18, 246-254.
• 9. Dedhia, P. H., Bertaux-Skeirik, N., Zavros, Y., and Spence, J. R. 2016. Organoids models of human gastrointestinal development and disease. Gastroenterology. 150, 1098-1112
• 10. Dotti, I. and Salas, A. 2018. Potential use of human stem cell-derived intestinal organoids to study inflammatory bowel diseases. Inflamm. Bowel Dis. 24, 2501-2509