바이오스펙테이터

바이오스펙테이터 조정민 기자

마이크로바이옴 신약을 개발하는 4D파마(4D pharma plc.)가 퇴행성신경질환 파이프라인인 ‘MRx0005’와 ‘MRx0029’의 새로운 연구결과를 공개했다.

4D파마는 암, 위장질환, 호흡기 질환 및 중추신경계질환 등에 대한 마이크로바이옴 치료제를 개발하고 있으며 치료 후보균주를 발굴 및 개발하는 ‘MicroRx’를 구축했다. MicroRx는 숙주에게 영향을 미치는 균주를 확인하고 균주가 가진 숙주 반응 프로파일과 타깃 질환의 상관관계를 통해 치료후보균주를 신속하고 선별하는 플랫폼이다.

4D파마는 MicroRx 플랫폼을 통해 50여종의 장내 세균총을 스크리닝함으로써 신경염증과 항산화 작용에 강력한 영향을 미치는 단일 균주후보 ‘MRx0005(Parabacteroides distasonis)’와 ‘MRx0029(Megasphaera massiliensis)’를 발굴했다. 이들은 발굴한 물질을 인간 유래 신경세포주들에 적용하고 신경보호 등의 효과를 확인하는 연구를 진행했으며 해당 연구 결과는 국제 학술지 ‘Frontiers in Cellular Neuroscience’지 최근호에 게재됐다.

◇신경퇴행, 신경염증 관련 마이크로바이옴의 세포생리학적 기능 규명… “대사산물 복합체가 사이토카인 분비 등을 조절”

4D파마는 인간 교모세포종 성상세포종 세포인 U373와 인간 미세아교세포 HMC3, 신경 모세포종 SH-SY5Y 등의 세포주를 이용한 실험에서 MRx0005와 MRx0029를 적용했을 때 IL-6, IL-8 등의 염증 사이토카인의 발현과 산화 스트레스의 주요 원인인 활성산소(ROS) 농도 변화 등을 측정하고 면역학적 기법을 통한 관찰을 진행했다.

이들은 U373세포에 LPS를 처리하고 50여개의 균주를 적용하고 24시간 뒤, IL-6의 발현을 측정한 결과 IL-6의 감소 효과가 가장 높게 나타난 MRx0005와 MRx0029가 가장 유력한 신약후보물질이라고 판단하고 추가적인 분석을 수행했다.

이들은 U373세포 외에 신경염증에 주요한 역할을 하는 미세아교세포에서도 균주들의 기능을 확인하기 위해 HMC3세포에 TNF-α를 처리하고 후보균주를 적용했을 때 IL-6와 IL-8의 분비 변화를 관찰했다. 그 결과 MRx0005는 TNF-α에 노출된 HMC3세포의 IL-6 발현에 영향을 주지 못했지만 MRx0029는 IL-6 발현을 유의미하게 감소시켰다. IL-8 발현에는 두 후보균주 모두 대조군과 유의미한 차이를 보이지 않았다.

4D파마 측은 아교세포의 TLR4(Toll-like receptor 4)와 LPS의 결합을 통해 일어나는 일련의 염증성 유전자 전사인자 활성화 등에 MRx0005와 MRx0029가 미치는 영향을 확인했고, 두 균주가 LPS에 의해 유도된 NF-κB-Ap1 프로모터 활성화를 유의미하게 억제하는 결과를 얻었다고 밝혔다. 흥미로운 점은 MRx0029의 경우 자체적으로 NF-κB-Ap1 프로모터를 활성화한 반면, MRx0005는 그렇지 않았다는 것이다. 이는 두 균주가 그람음성균이지만 MRx0005는 LPS 신호전달경로를 차단한다는 것을 의미한다.

박테리아는 1차 및 2차 대사산물로 여러가지 항산화 화합물을 생성할 수 있다. 4D파마는 후보균주의 항산화 능력을 확인하기 위해 인돌 유도체 생산 분석, TRAP(Total radical trapping antioxidant parameter), TEAC(Trolox equivalent antioxidant capacity) 등 총 3가지 분석법을 사용했다.

인돌 유도체는 항산화 및 세포 보호 효과를 가진 것으로 알려졌는데 MRx0005와 MRx0029 모두 인돌 구조체를 형성했으며 그 정도는 MRx0029 적용군이 조금 더 높게 나타났다. 다른 분석방법을 통해 평가한 활성산소 제거와 항산화 능력 역시 두 균주 모두 가지고 있었지만 MRx0029가 MRx0005보다 높은 것으로 나타났다.

연구진은 두 후보균주의 항산화 물질 생성 등을 분석하는 동시에 산화 스트레스 등으로부터 신경계 세포를 보호하는 것을 평가하기 위해 U373, HMC3, SH-SY5Y 세포에 TBHP(Tert-Butyl Hydrogen Peroxide)를 처리해 활성산소(ROS) 발생을 유도한 뒤 MRx0005와 MRx0029를 적용했다. 그 결과 두 후보균주는 세포주 종류에 따라 다른 반응을 보였다. 성상세포 유래의 U373이나 미세아교세포 유래의 HMC3에서는 보호 효과가 미미하거나 오히려 ROS의 생산이 증가 추세를 보인 반면, 신경세포(neuron)에 가장 가까운 특징을 가진 SH-SY5Y 세포의 경우, 두 후보 균주 모두 유의미하게 ROS로부터 세포를 보호한 것이다.

또한 MRx0029의 경우에는 미분화된 SH-SY5Y세포의 분화를 유도한다는 것이 확인됐다. MRx0029를 처리하자 신경세포의 분화와 관련된 마커인 MAP2(Microtubule-associated protein 2)가 증가했으며 세포의 형태 역시 신경돌기의 연장 등 분화가 성숙된 신경세포의 것으로 변화했다.

4D파마는 살아있는 균주 형태의 MRx0005와 MRx0029가 단쇄지방산 등의 대사산물을 생성함으로써 신경염증과 산화스트레스, 세포 간 커뮤니케이션에 영향을 준다고 예측했다. MRX0005는 Acetic acid, propionic acid를, MRx0029가 Sodium butyrate, Sodium valerate, hexanoic acid 등 3개의 단쇄지방산을 주로 생성했다.

4D파마는 논문을 통해 “MRx0005와 MRx0029가 생산하는 단쇄지방산 중 butyrate, valerate의 조합이 IL-6 등 사이토카인의 분비를 억제하고 염증으로부터 세포를 보호한다”며 “실험에 사용한 두 균주 모두 항염증적 특성을 보였는데 특히 MRx0029가 산화스트레스에 의해 유발된 세포독성으로부터 신경세포를 우선적으로 보호했으며 단일 정제된 대사산물 보다 균주를 적용했을 때 더 뛰어난 효과를 가지는 것을 확인했다”고 밝혔다.

현재 4D파마는 In vivo 모델 등을 통해 신경퇴행성질환에서 해당 균주들의 치료적 효과와 그 분자경로를 파악하기 위한 연구를 진행하고 있다.