건국대 연구팀이 세계에서 처음으로 면역기능이 완전히 결핍된 질환모델 동물 생산에 성공했다. 이번 연구는 줄기세포를 이용한 세포치료, 동물의 장기를 난치병 환자에게 이식하는 이종간 장기이식, AIDS와 같은 인간면역결핍질환의 치료, 암 발달 기전규명 연구 등에 유용한 도구로 사용될 전망이다.

건국대 김진회 교수(동물생명공학과) 연구팀은 농촌진흥청의 ‘우장춘 프로젝트 (연구책임자: 김진회 교수)’와 ‘차세대 바이오그린21사업 (단장 충북대 김남형 교수)’의 지원으로 미국 미주리대학 연구팀과 공동으로 외부 항원(병원체)이 침입했을 때 생체면역시스템을 활성화 시켜주는 ‘RAG’ 유전자를 제거시킨 형질전환 복제 돼지를 생산하는데 성공했다고 밝혔다.

이번 연구결과는 미국국립과학회보 (PNAS, IF: 9.7) 온라인판에 6일 발표됐다.[공동 1저자; 이기호 박사(미주리대, 현 버지니아텍 교수), 공동 1저자 권득남 박사(건국대 교수), 공동저자; 박찬규 박사(건국대 교수), 공동저자; 박광욱 박사(미주리대 초빙교수, 현 순천대 교수), 공동저자 김재환 박사(차의과학대학교 교수), 공동교신저자 Robert 박사(미주리대 교수), Prather 박사 (미주리대 교수); 공동 교신저자 및 프로젝트 총괄 책임자 김진회 박사 (건국대 교수)]

건국대 연구팀이 개발한 면역결핍 돼지는 생체의 초기 면역기전의 중요 역할을 하는 흉선의 발달이 완전히 억제 되었고, 비장 발달 또한 저해되어 면역 기능을 담당하는 성숙 T 세포와 B 세포가 생체내에 존재하지 않는 면역결핍모델 동물이다. 지금까지의 연구는 생쥐를 모델로 하는 면역결핍동물을 사용하였으나, 인간의 장기조직과 생리현상이 너무나 달라 기초 연구 결과와 임상 연구 결과가 너무나 상이한 결과가 도출되어 새로운 모델동물 개발의 필요성이 제기되었다.

면역 결핍돼지의 생산은 일본 그룹이 IL2rg유전자를 소실시킴으로서 유전자 조작에 의하여 최초로 생산하는데 성공하였지만, 이들 돼지의 경우 B세포가 생체 내에 존재하여 완전한 면역결핍이 일어나지 않아 이식한 사람 조직이나 세포를 수용하지 못해 진정한 의미에서의 면역 결핍돼지라고 할 수 없다.

그러나 이번 연구에서 처음으로 사람의 유도 줄기세포를 이식하여 3배체로 분화가 가능한 테라토마 형성에 성공하였다. 이들 테라토마는 인간의 각 장기로 분화가 가능한 외배엽, 중배엽, 내배엽을 형성하였을 뿐만 아니라 돼지 유래의 태반 줄기세포를 이식하였을시도 동일한 효과를 나타내어 진정한 의미에서의 면역결핍 돼지라 할 수 있다.

인간의 질병을 치료하기 위해서는 환자를 대상으로 하는 임상시험 전에 질환모델 동물을 대상으로 전임상 시험을 반드시 거쳐야 하는데, 생쥐와 같은 설치류는 인간과 다른 생체 기전으로 인해 전임상 시험의 정확도를 높이는데 한계가 있었다. 하지만 돼지는 생체 기전이 인간과 유사해 인간의 질병치료 연구의 최적 모델로 인정받고 있다.

김진회 교수는 “돼지와 같은 대동물은 설치류와 달리 복잡한 유전자 조작, 복제동물 생산 등의 첨단 생명공학 기술을 적용시키는데 기술적 어려움이 있으나, 연구팀이 이러한 기술적 한계를 극복하고 면역결핍 형질전환복제돼지를 생산해 우리나라 생명공학 기술의 국제적 위상을 새롭게 하는데 큰 기여를 했다”라고 이번 연구 성과를 평가했다. 실제로 형질전환 기술과 복제동물생산 기술을 이용해 돼지와 같은 대동물을 생산한 나라는 세계적으로 미국, 일본, 영국, 호주 등 소수에 불과하다.

면역결핍 형질전환복제돼지의 경제적 가치 또한 막대할 것으로 예상된다. 특히 미국 NIH(국립보건원)는 전임상 실험의 경우 반드시 생쥐외의 다른 실험동물의 성적을 요구하고 있어, 이번에 개발된 면역 결핍돼지는 전임상 실험을 위한 CRO동물로서 원숭이를 대체함으로서 생쥐에 버금갈 정도의 시장 규모를 가질 것으로 예상된다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 면역결핍 질환모델 생쥐의 마리당 평균 가격은 수십만원이며 전 세계적으로 년간 수천만 마리가 연구와 전임상 시험에 사용되고 있다. 따라서, 인간과 보다 유사한 면역결핍 돼지모델이 개발됨에 따라 그 수요는 막대할 것으로 예상되어 년간 수백억 달러의 국제적 수요가 예상된다.

이번에 개발된 면역결핍 형질전환 복제돼지는 줄기세포를 이용한 세포치료에 매우 유용하게 활용될 수 있다. 배아줄기세포, 유도만능 줄기세포, 성체줄기세포 등을 인간에게 이식하기 전에 면역결핍 돼지에 먼저 이식하여 줄기세포의 면역거부 안전성, 만능성, 표적세포로의 분화가능성을 조기에 확인할 수 있어 줄기세포치료 성공률을 혁신적으로 증진 시키는 것이 가능하다. 또한 이종간 장기이식의 실용화에 가장 큰 걸림돌이 되는 돼지장기에 대한 인간의 면역거부반응을 제어하는 연구에 활용이 가능하기 때문에 동물의 장기를 난치병환자에게 이식하여 환자의 생명을 연장시키는 이종간 장기이식에도 이번에 개발된 면역결핍 돼지의 활용성이 크게 기대된다.

면역결핍 돼지는 인간의 암 또는 바이러스를 치료하는 연구에도 지금까지 볼 수 없었던 혁신적인 도구로 제공할 수 있다. 이식된 인간의 암세포가 연구팀이 개발한 면역결핍 돼지에서는 면역거부반응 없이 지속적으로 성장이 가능하여 암세포의 발달과 다른 기관으로의 전이가 어떠한 기전으로 이루어지는지를 파악할 수 있어 암 치료 연구에 유용하게 활용될 수 있다.

Rag-2 유전자가 소실된 일부 면역 결핍돼지에서 사람에게서 드물게 일어나는 Omenn 징후를 보이고 있어, 무엇보다도 전 세계의 많은 사람들이 고통 받고 있는 선천성. 후천성 면역결핍 질환의 치료용 약물 시험, 면역세포 이식 시험 등의 관련 연구에 폭 넓게 활용될 수 있어 면역결핍 질환 극복에 새로운 희망을 줄 것으로 기대하고 있다.

이번에 개발된 면역결핍 형질전환복제 돼지의 다양한 활용성에 대해 김진회 교수는 “연구팀이 개발한 면역결핍질환 모델동물이 인류의 난치병 치료에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다”며 “앞으로 더욱 다양한 종류의 형질전환 복제동물을 개발해 궁극적으로 인류 질병극복에 기여하고 싶다”고 말했다. 김진회 교수는 지난 2002년 국내 최초로 복제돼지를 생산한 이래, 2003년 인간 조혈단백질(EPO)을 생산할 수 있는 형질전환복제돼지, 2009년 돼지 장기를 사람에게 이식할 수 있는 초급성 거절반응을 제거한 Gal-T 제거 복제돼지, 2013년 급성면역 반응을 제거한 CMAH 제거 돼지 등 다양한 형질전환복제돼지를 생산해 바이오신약 및 장기 개발 연구 분야의 권위자다.