아밀로이드 베타 제거 활성화를 통한 알츠하이머 병 치료 약물 개발 연구

Abstract

전 세계적으로 인구수가 증가하는 가운데 기술의 발전을 통해 인류의 기대 수명 또한 증가하고 있다. 이로 인해 65세 이상의 노인의 인구 또한 증가하고 있다. 하지만 이러한 추세는 마냥 반갑지 않는데 그 이유는 노화가 진행될수록 여러 질병들에 취약해지고 그중 특히 퇴행성 뇌질환에 걸릴 확률이 올라가기 때문이다. 퇴행성 뇌질환은 뇌 내에 존재하는 신경 세포들의 사멸을 일으켜 치매, 파킨슨증, 운동신경원 병 등 다양한 증상을 야기시킬 수 있는 다양한 뇌 질환을 일컫는다. 이러한 퇴행성 뇌질환은 진행될수록 인지 및 기억, 언어 능력, 운동 능력과 같은 중요한 뇌 기능들을 상실하게 되면서 다른 사람의 도움 없이는 일상 생활을 할 수 없을 만큼 병이 진행되게 된다. 하지만 이러한 퇴행성 뇌질환에 대한 치료제는 많은 임상 실험에도 불구하고 아직까지 개발되지 못하고 있다. 따라서 이러한 퇴행성 뇌질환을 치료하기 위한 후보 물질 발굴 및 개발의 시급성은 계속 증가하고 있다. 알츠하이머병은 전 세계적으로 가장 많이 발병한 퇴행성 뇌질환이다. 알츠하이머병은 치매를 일으키는 것으로 잘 알려졌으며 가장 대표적인 특징으로는 아밀로이드 베타와 타우 단백질의 응집체가 뇌에서 축적된다는 것이다. 특히 아밀로이드 베타는 알츠하이머병이 발병하기 길게는 10년 이전부터 뇌 내에서 축적되는 것으로 보고된다. 이것은 다른 알츠하이머병의 특징 중에서도 가장 먼저 발견되는 특징으로 아밀로이드 베타가 알츠하이머병의 주된 발병 원인일 것으로 보는 ‘아밀로이드 가설’은 지금까지도 가장 신빙성 있는 알츠하이머 병의 가설로 받아들여지고 있다. 따라서 많은 연구들이 아밀로이드 베타에 초점을 맞춰 진행되어 왔었다. 하지만 지금까지 아밀로이드 베타의 생성을 억제하는 신약이 수없이 개발되었지만 임상시험에서 유의미한 결과를 얻지 못했다. 이에 따라 최근 연구는 생성된 아밀로이드 베타의 응집 및 제거에 초점을 맞춰 연구가 진행되어왔고 최근 아밀로이드 베타의 단클론항체가 아밀로이드 베타의 응집을 억제하면서 제거를 촉진시키는 효과를 가지고 유의미한 임상실험 결과를 내게 되면서 아밀로이드 베타의 생성보다는 응집 억제 및 제거가 더 유효한 치료 전략으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 알츠하이머 병의 치료제를 개발하고자 하는 목적으로 본 연구실에서 기존에 개발하였던 세포기반 형광단백질 응집 분석 시스템을 활용하여 총 2,320 종의 소분자 단일 화합물을 스크리닝 하여 발굴되었던 물질 중 뛰어난 효과를 보인 고시페틴이라는 물질이 알츠하이머 병 모델 마우스에 투여하였을 때 인지 및 기억 능력이 개선되는지 연구를 진행하였다. 5xFAD 알츠하이머 병 모델 마우스에게 고시페틴을 투여한 결과 고시페틴을 투여한 5xFAD 마우스의 공간 지각 및 기억능력이 개선된 것으로 확인할 수 있었다. 고시페틴이 투여된 5xFAD 마우스의 뇌 내에선 아밀로이드 베타의 응집체가 현저히 감소한 것을 통해 고시페틴이 마우스 모델에서도 아밀로이드 베타의 응집을 억제한다는 것을 확인할 수 있었다. 그런데 더 나아가 고시페틴이 투여된 마우스에선 아밀로이드 베타의 단위체 또한 현저히 감소된 것을 확인할 수 있었고 추가 실험들을 통해 고시페틴이 아밀로이드의 응집뿐만 아니라 미세 아교 세포의 신경교증을 억제하면서 포식작용을 활성화시켜 아밀로이드 제거를 촉진시킨다는 것을 확인할 수 있었다. 고시페틴이 미세아교세포를 어떻게 조절하는지 확인하기 위해 단일 세포 RNA 시퀀싱 기술을 활용하였고 분석 결과 고시페틴이 미세아교세포의 신경교증과 관련된 유전자 발현을 억제시키면서 포식작용과 관련된 유전자 발현을 증가시키는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 더 나아가 고시페틴이 알츠하이머 병에서 특이적으로 발견되는 미세아교세포의 부분 집단인 DAM의 유전자 발현 패턴을 조절하는 것을 확인할 수 있었다. 고시페틴은 DAM의 염증반응과 관련된 유전자 발현을 억제시키면서 이미 높게 발현되어 있다고 알려진 포식작용에 관련된 유전자들의 발현은 더 증가시킨 것으로 확인할 수 있었다. 위의 결과들을 통해 고시페틴이 아밀로이드 베타의 응집 억제 및 제거 활성화 효과를 보이는 것을 통해 앞으로 전도유망한 치료 후보물질로 개발될 수 있을 것으로 기대 된다.

As aging population is increasing, more people are becoming susceptible to various neurodegenerative diseases. Neurodegenerative diseases share various common hallmarks such as neuronal cell death, oxidative stress, neuroinflammation, and dysfunction in protein degradation. Among these hallmarks, protein aggregation is one of the most prominent hallmarks that can be found among neurodegenerative diseases. Moreover, these protein aggregations are considered to be the main driver of various neurodegenerative disease pathologies. Although various drugs are being developed to cure these diseases, none of them have been successful. However, if a drug can be developed to cure a neurodegenerative disease by targeting one of the common hallmarks, it may give insights and be implicated in developing cure for other neurodegenerative diseases as well. Alzheimer’s disease is the most common neurodegenerative disease in the world. The most well-studied hallmark for AD is aggregation of β-Amyloid (Aβ). Previously, various drugs have targeted inhibition of Aβ production, but they have all failed. Recently, monoclonal antibodies targeting aggregation and clearance Aβ were reported to show significant effect to AD patients. This suggests inhibition of Aβ aggregation and enhancement of Aβ clearance may be more promising therapeutic strategy against AD. However, more therapeutic candidates for AD needs to be developed in the future. The present study aimed to develop a therapeutic candidate against AD. Previously, a compound library consisting of 2,320 small compounds was screened to find compounds that show prominent inhibitory effect against protein aggregation through cell-based fluorescence assay system. Among the hit compounds, a flavonoid compound called gossypetin was found to show strong inhibitory effect against protein aggregation. To evaluate, therapeutic potential of gossypetin in AD, gossypetin was orally administrated to 5xFAD AD model mice. Gossypetin showed improvement in impaired spatial memory due to a significant decrease in Aβ deposition in the hippocampus and cortex of 5xFAD mice. Gossypetin did not inhibit Aβ production pathway. However, gossypetin significantly decreased gliosis in microglia and astrocyte. Microglia treated with gossypetin showed significant increase in phagocytic activity against Aβ. Through single-cell RNA sequencing, we found that gossypetin causes transcriptomic modulations in various microglial subpopulations including disease-associated microglia. Gossypetin also increased MHC II+ microglial population. Overall, these results demonstrate discovery of a novel flavonoid compound that can ameliorate Aβ pathology in 5xFAD mice by modulating various microglial subpopulations including disease-associated microglia to have novel transcriptomic profiles which makes them to be more active in Aβ phagocytosis.