소분자 약물을 이용한 심장 재생 세포의 약리학적 유도

Belangrijkste concepten

본 연구는 CHIR99021과 A-485라는 두 가지 화합물의 조합(2C)이 인간 배아 줄기세포(hESC) 유래 심근세포를 심장 재생 세포(RCC)로 효과적으로 전환시키는 것을 보여주며, 이는 손상된 심장을 복구하기 위한 유망한 재생 전략을 제시합니다.

Samenvatting

서론

포유류는 손상된 심장을 재생하는 능력이 제한적인 반면, 제브라피쉬와 같은 하등 생물은 심근세포(CM)의 탈분화를 통해 심장을 재생하는 놀라운 능력을 보여줍니다. 이러한 차이는 성체 포유류 CM에서 제브라피쉬에서 관찰되는 것과 유사한 재생 상태를 유도하기 위한 새로운 전략의 필요성을 강조합니다. 본 연구에서는 인간 CM을 재생 능력이 있는 세포로 전환할 수 있는 소분자를 식별하는 데 중점을 두었습니다.

연구 방법

연구팀은 hESC를 이용하여 심근세포를 만들고, 4,000개 이상의 화합물 라이브러리를 스크리닝하여 CM 탈분화를 유도하는 소분자 조합을 찾았습니다. 그 결과 CHIR99021과 A-485의 조합(2C)이 가장 효과적으로 ISL1 발현을 유도하는 것으로 나타났습니다. 연구팀은 다양한 세포 및 분자 분석을 통해 2C 처리가 CM의 탈분화, 증식 및 심장 세포 계통으로의 분화를 유도하는 메커니즘을 조사했습니다. 또한 생쥐 모델에서 심근경색(MI)을 유도한 후 2C 치료의 효과를 평가했습니다.

연구 결과

• 2C 처리는 hESC 유래 CM에서 세포 크기 감소, 세포 클러스터 형성, 근절 구조의 분해, ISL1 발현 증가, 배아 심장 생성 유전자 발현 증가를 포함한 탈분화 관련 표현형을 유도했습니다.
• 2C 유도 심장 세포는 증식 능력을 보였고, CM, 평활근 세포(SMC), 내피 세포(EC)를 포함한 세 가지 주요 심혈관 세포 유형으로 분화할 수 있는 능력을 보여주었습니다.
• 계통 추적 실험을 통해 2C에 의해 유도된 RCC가 실제로 TNNT2+ CM에서 탈분화되었음을 확인했습니다.
• 2C는 생체 내에서 신생아 쥐와 성체 쥐 모두에서 내인성 CM에서 RCC를 효과적으로 생성했습니다.
• 2C를 MI 생쥐 모델에 투여하면 생존율이 크게 향상되고 심장 기능이 향상되었습니다.
• 기계적으로 CHIR99021은 RCC 개발에 필수적인 유전자의 전사 및 후성 유전적 활성화에 중요한 반면, A-485는 CM에서 H3K27Ac와 특히 H3K9Ac를 주로 억제합니다. 이들의 시너지 효과는 RCC 유전자에 대한 이러한 변형을 향상시켜 CM에서 RCC로의 전환을 촉진합니다.

결론

본 연구는 CHIR99021과 A-485의 조합(2C)이 내인성 CM에서 RCC를 약리학적으로 유도할 수 있음을 보여줍니다. 2C 유도 RCC는 증식하여 주요 심혈관 세포 유형으로 분화할 수 있으므로 손상된 심장을 복구하기 위한 유망한 재생 전략을 제공합니다.

Statistieken

2C 처리는 ISL1+ 세포의 비율을 현저하게 증가시켰으며, ISL1 발현 수준은 mRNA 및 단백질 수준 모두에서 약 3배 증가했습니다.
2C 처리 후 약 1.4배의 재분화된 CM이 관찰되었습니다.
2C 처리는 TNNT2+ CM에서 ISL1 발현을 유도하여 효과적으로 RCC를 생성했습니다.
2C로 전처리한 결과 심근경색 후 1일, 8일, 25일, 35일에 심장 기능이 크게 향상되었고 생존율도 향상되었습니다.
2C 치료를 받은 생쥐는 심장 기능이 회복되었고, 심장 섬유증이 크게 개선되었으며, 대조군 생쥐에 비해 흉터 크기가 현저히 작았습니다.
2C 처리는 MSX1, BMP4, TCF4, LEF1과 같은 배아 심장 생성 유전자를 상향 조절하고, MYH6 및 MYL2와 같은 CM 관련 유전자를 하향 조절했습니다.
2C 처리는 세포 주기 조절 및 세포 분열과 관련된 유전자의 아세틸화를 증가시켰습니다.
2C 처리는 TNNT2, TNNI1, MYL7, MYH6, MYH7과 같은 CM 유전자 프로모터에서 H3K9Ac 및 H3K27Ac 피크를 감소시켰습니다.
2C 처리는 LEF1, AXIN2, BMP4, LIX1, MSX1, MSX2, NKD1과 같은 RCC 유전자의 프로모터에서 H3K9Ac 및 H3K27Ac를 효과적으로 상향 조절했습니다.
주석이 달린 유전자 중 H3K9Ac가 풍부한 유전자 5,891개 중 2,716개(46.1%)는 2C로 처리한 세포에서만 풍부했으며, H3K27Ac가 풍부한 주석이 달린 유전자 10,785개 중 527개(4.9%)만 독점적으로 관찰되었습니다.

Citaten

Belangrijkste Inzichten Gedestilleerd Uit

Pharmacologically inducing regenerative cardiac cells by small molecule drugs

by Zhou,W., He,... om www.biorxiv.org 10-26-2023

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.10.24.563872v3

Diepere vragen

2C 유도 RCC의 증식 능력을 향상시키고 심장 재생 효과를 극대화하기 위해 어떤 전략을 적용할 수 있을까요?

2C 유도 RCC의 증식 능력 향상 및 심장 재생 효과 극대화를 위해 다음과 같은 전략을 고려할 수 있습니다.
1. RCC 증식 능력 향상:

성장 인자 및 사이토카인 최적화: 연구에서 2C 유도 RCC는 ISL1+ progenitors에 비해 증식 능력이 제한적인 것으로 나타났습니다. 따라서 FGF, VEGF, IGF, HGF 등 심근 세포 증식을 촉진하는 성장 인자 및 사이토카인을 2C 처리와 병행하여 RCC의 증식을 증가시키는 전략을 고려할 수 있습니다.
3차원 배양 시스템 활용: 3차원 배양 시스템은 세포-세포 및 세포-ECM 상호 작용을 모방하여 세포 생존율과 증식을 향상시키는 것으로 알려져 있습니다. 2C 유도 RCC를 하이드로겔, 데카세포화된 심장 매트릭스 등의 3차원 배양 시스템에서 배양하여 증식 능력을 향상시킬 수 있습니다.
세포 주기 조절 인자 조절: 세포 주기 조절 인자를 조절하여 RCC의 증식을 유도할 수 있습니다. 예를 들어, 세포 주기 진행을 촉진하는 사이클린 D1 또는 CDK4의 발현을 증가시키거나, 세포 주기 억제 인자인 p21 또는 p27의 발현을 억제하는 방법을 고려할 수 있습니다.
2. 심장 재생 효과 극대화:

2C 처리 방식 개선: 2C의 전달 효율 및 표적 특이성을 향상시키기 위해 나노 입자, 하이드로겔 등의 약물 전달 시스템을 활용할 수 있습니다. 또한, 심장 손상 부위에 직접 2C를 전달하는 국소 주사 방식을 통해 효과를 극대화하고 전신적인 부작용을 최소화할 수 있습니다.
면역 반응 조절: 2C 치료 후 발생할 수 있는 면역 반응을 조절하는 전략이 필요합니다. 면역 억제제를 사용하거나, 면역 거부 반응을 일으키지 않는 세포를 이용하는 방법 등을 고려할 수 있습니다.
다른 치료법과의 병행: 2C 치료와 함께 줄기세포 치료, 유전자 치료, 또는 심장 기능을 보조하는 기계적인 장치 삽입 등 다른 치료법을 병행하여 심장 재생 효과를 극대화할 수 있습니다.
3. 추가 연구 방향:

장기적인 효과 및 안전성 평가: 2C 치료의 장기적인 효과 및 안전성을 평가하기 위해서는 대동물 모델을 이용한 전임상 연구가 필요합니다.
환자 맞춤형 치료 전략 개발: 환자의 유전적 배경, 심장 손상 정도, 건강 상태 등을 고려하여 개인에게 최적화된 2C 치료 전략을 개발하는 것이 중요합니다.

2C 치료법이 장기적으로 심장 기능 및 구조에 미치는 잠재적인 부작용이나 위험 요소는 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있을까요?

2C 치료법은 심장 재생에 있어 혁신적인 가능성을 제시하지만, 장기적인 영향에 대한 신중한 평가가 필요합니다. 잠재적인 부작용 및 위험 요소와 완화 전략은 다음과 같습니다.
1. 종양 발생 가능성:

문제점: CHIR99021은 Wnt 신호 전달 경로를 활성화시키는데, 이는 세포 증식을 촉진하여 종양 발생 가능성을 높일 수 있습니다.
완화 전략:

제한적인 치료 기간: 2C 치료 기간을 최소화하여 종양 발생 위험을 줄입니다.
Wnt 신호 전달 경로 모니터링: 치료 중 정기적인 검사를 통해 Wnt 신호 전달 경로 활성화 수준을 모니터링하고, 필요에 따라 치료 용량을 조절합니다.
표적 전달 시스템 개발: 심장 손상 부위에만 2C를 전달하는 표적 전달 시스템을 개발하여 전신적인 부작용을 최소화합니다.
2. 심장 비대 및 섬유화:

문제점: 2C 치료가 심근 세포의 비대 또는 심장 섬유화를 유발하여 심장 기능을 저하시킬 수 있습니다.
완화 전략:

심장 기능 모니터링: 정기적인 심장 초음파, 심전도, 심장 MRI 등을 통해 심장 기능을 지속적으로 모니터링합니다.
항섬유화 치료 병행: 2C 치료와 함께 항섬유화 치료제를 병행 투여하여 심장 섬유화를 예방합니다.
3. 면역 반응 및 염증:

문제점: 2C 치료에 대한 면역 반응으로 인해 염증이 발생하고 심장 조직 손상이 악화될 수 있습니다.
완화 전략:

면역 억제제 단기 투여: 2C 치료 초기 단계에 면역 억제제를 단기간 투여하여 면역 반응을 조절합니다.
면역 거부 반응이 적은 약물 개발: 면역 거부 반응을 최소화하도록 2C의 화학 구조를 변형하거나 새로운 약물 전달 시스템을 개발합니다.
4. 예측 불가능한 세포 운명 변화:

문제점: 2C 치료는 심근 세포 이외의 다른 세포에도 영향을 미쳐 예측 불가능한 세포 운명 변화를 일으킬 수 있습니다.
완화 전략:

표적 특이성 향상: 심근 세포에만 특이적으로 작용하는 2C 유도체 개발 또는 표적 전달 시스템 개발을 통해 다른 세포에 미치는 영향을 최소화합니다.
다양한 세포 유형에 대한 연구: 2C 치료가 다양한 세포 유형에 미치는 영향을 다각적으로 분석하고 예측 가능한 모델을 구축합니다.
5. 장기적인 안전성 데이터 부족:

문제점: 현재까지 2C 치료의 장기적인 안전성에 대한 충분한 데이터가 부족합니다.
완화 전략:

대동물 모델을 이용한 장기 추적 연구: 대동물 모델을 이용한 전임상 연구를 통해 2C 치료의 장기적인 안전성을 평가합니다.
임상 시험에서의 장기 추적 관찰: 임상 시험 참여자에 대한 장기 추적 관찰을 통해 잠재적인 부작용을 지속적으로 모니터링합니다.

이 연구에서 밝혀진 심장 세포의 탈분화 및 재프로그래밍 메커니즘은 다른 장기나 조직의 재생 치료법 개발에 어떤 영향을 줄 수 있을까요?

이 연구에서 밝혀진 2C 유도 심장 세포 탈분화 및 재프로그래밍 메커니즘은 심장 질환뿐만 아니라 다른 장기나 조직의 재생 치료법 개발에도 혁신적인 영향을 미칠 수 있습니다.
1. 새로운 재생 의학적 접근법 제시:

세포 운명 전환 기술: 이 연구는 성숙한 체세포를 탈분화시켜 다른 세포 유형으로 재프로그래밍할 수 있음을 보여주는 중요한 예시입니다. 이는 손상된 장기나 조직을 재생하기 위해 필요한 세포를 자가 생성할 수 있는 가능성을 제시합니다.
소분자 화합물 활용: 2C와 같은 소분자 화합물을 이용한 세포 운명 조절은 기존의 유전자 치료법에 비해 안전하고 효율적인 대안을 제시합니다. 소분자 화합물은 세포 내 표적 단백질에 직접 작용하여 세포 운명을 조절할 수 있으며, 유전자 변형에 따른 잠재적인 위험을 줄일 수 있습니다.
2. 다양한 장기 재생 치료에 적용 가능성:

신경 재생: 뇌졸중, 척수 손상 등으로 손상된 신경 세포는 재생 능력이 제한적입니다. 2C와 유사한 소분자 화합물을 이용하여 신경 세포의 탈분화 및 재프로그래밍을 유도하고 손상된 신경 회로를 복구하는 치료법 개발에 활용될 수 있습니다.
췌장 베타 세포 재생: 제1형 당뇨병은 췌장 베타 세포의 파괴로 인해 인슐린 분비가 부족해지는 질환입니다. 2C와 같은 화합물을 이용하여 다른 체세포를 췌장 베타 세포로 재프로그래밍하여 인슐린 분비를 회복시키는 치료법 개발에 기여할 수 있습니다.
간 재생: 간경변, 간암 등으로 손상된 간은 재생 능력이 저하됩니다. 2C와 유사한 화합물을 이용하여 간 세포의 증식 및 기능 회복을 촉진하는 치료법 개발에 활용될 수 있습니다.
근육 재생: 근이영양증과 같은 질환은 근육 손상 및 퇴행을 유발합니다. 2C와 유사한 화합물을 이용하여 근육 세포의 재생을 촉진하고 근육 기능을 회복하는 치료법 개발에 활용될 수 있습니다.
3. 추가 연구를 통한 확장 및 발전:

다른 장기 특이적 마커 발굴: 2C 치료 효과를 다른 장기 재생에 적용하기 위해서는 각 장기 특이적인 세포 표면 마커 및 전사 인자를 발굴하는 연구가 필요합니다.
조직 미세 환경 고려: 각 장기 및 조직은 고유한 미세 환경을 가지고 있으므로, 2C 치료법을 적용할 때는 이러한 미세 환경을 고려하여 세포 이식, 면역 반응 조절 등의 전략을 수립해야 합니다.
안전성 및 효능 검증: 2C 치료법을 다른 장기 재생에 적용하기 위해서는 전임상 및 임상 시험을 통해 안전성 및 효능을 엄격하게 검증해야 합니다.
이 연구는 심장 세포의 탈분화 및 재프로그래밍을 통한 심장 재생 가능성을 제시할 뿐만 아니라, 다른 장기나 조직의 재생 치료법 개발에도 폭넓게 적용될 수 있는 혁신적인 플랫폼을 제공합니다. 지속적인 연구를 통해 2C 치료법의 잠재력을 최대한 활용하고 인류의 건강 증진에 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.