암만 골라서 진단하는 펩타이드의 새 플랫폼 '엡타이드'

진단과 치료용 약으로서 펩타이드의 장점은 생산 단가가 낮고, 안전성과 반응성이 높으며, 특허 사용료가 상대적으로 저렴하고, 원하지 않는 면역시스템에 덜 노출되어 펩타이드 자체에 대한 부작용이 적고, 합성하여 쉽게 변형할 수 있는 것 등이 있습니다.

그럼에도 대부분의 펩타이드는 항체에 비해 특정 단백질 타깃에 대해 친화력과 특이성이 낮기 때문에 다른 분야에 활발히 응용되지 못하고 있는 실정입니다.

□ 항체처럼 질병 타깃과 잘 결합하면서 생산성과 안정성도 갖춘 새로운 펩타이드 플랫폼이 개발됨에 따라 차세대 진단 치료제 개발에 새 가능성을 열었습니다.

광주과기원 전상용 교수팀은 기존 펩타이드의 단점인 낮은 친화력과 특이성을 해결한 '앱타이드(Aptide)'라는 새로운 펩타이드 플랫폼 개발에 성공했습니다.

이 플랫폼은 펩타이드의 장점인 생산성 안전성과, 항체의 장점인 고친화력과 고특이성의 장점을 모두 갖췄습니다.

연구팀은 기존 펩타이드의 단점을 극복할 수 있는 새로운 개념의 펩타이드인 앱타이드를 개발해 다양한 단백질 타깃에 항체처럼 매우 잘 결합하는 고친화도, 고선택성 등을 동물실험을 통해 밝혀냈습니다.

또한 암 바이오마커에 특이적인 앱타이드를 이용해 생체 내에서 암만을 선택적으로 진단할 수 있다는 사실도 확인했습니다.

이번에 개발된 앱타이드는 항체처럼 결합력이 강해 다양한 바이오의약품으로 응용될 수 있어, 항암 표적치료제뿐만 아니라 다양한 질병에 대한 의약품으로 활용될 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

연구결과는 화학분야의 최고 권위의 학술지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie)'지 1월호(1월 24일)에 게재되었습니다.
(논문명 : Bio-Inspired Design and Potential Biomedical Applications of a Novel Class of High-Affinity Peptides)

 용  어  설  명

앱타이드 (Aptide) :
항체나 압타머와 같이 타켓물질에 고친화도와 선택성을 가지고 결합할 수 있는 펩타이드로서 Aptamer-like Peptide 의미

펩타이드 (Peptide) :
단백질과 구성 성분은 같으나 크기가 훨씬 작은 일종의 단백질의 조각에 해당하는 것으로 2개 이상에서 대략 50개 이내의 아미노산이 연결되어 구성되어 있는 물질

항체 :
타겟물질에 고친화도 및 선택성으로 결합할 수 있는 면역글로부린 구조를 가지고 있는 단백질로서 다양한 질병에 대한 획기적인 치료제로서 각광을 받고 있음

<연 구 개 요> 현재 질병 타겟에 높은 친화력을 가지며 특이적으로 붙는 펩타이드는 진단과 치료 분야에서 많은 이용 가치를 가지고 있다. 일반적으로 펩타이드는 생산 단가가 낮고 반응성이 높으며 면역반응을 잘 일으키지 않으며 합성을 통해서 생산되기 때문에 변형이 쉽고 순도가 높은 제품을 만들 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만 기존의 펩타이드가 후보약물이 되기 위해서는 낮은 타겟 친화력과 특이성, 단백질 가수분해 효소에 의한 생체 내 불안정성과 같은 한계점을 극복해야 한다. 이런 문제점을 해결하기 위해서 새로운 높은 친화력과 특이성을 가지는 "펩타이드 압타머 (앱타이드, Aptide)"라는 새로운 펩타이드 스캐폴드를 디자인하고 그것의 성질을 규명하였다. 그림 1.  앱타이드는 루이신 지퍼 단백질과 비슷한 모양을 가지도록 디자인을 함. 펩타이드 골격(scaffold)의 양 말단의 결합된 두 개의 펩타이드(오렌지색, 파랑색)가 공동으로 타겟분자에 결합하는 형태로 높은 친화성으로 특이적 결합력을 가지도록 함. 앱타이드는 루이신 지퍼 단백질의 구조에서 영감을 얻어 디자인을 한 총 26개의 아미노산으로 이루어진 펩타이드이다. 이는 trpzip 이라는 beta-hairpin motif scaffold를 골격으로 이용하여 trpzip 의 N- 과 C- 말단 부분에 각각 6개의 아미노산을 무작위로 배열함으로써 타겟 바인딩 부분을 만들었고 이를 통해 항체와 대등한 수준의 높은 친화력과 특이성을 가진 펩타이드를 개발하였다. 이는 기존의 펩타이드의 단점인 안정성을 극복함과 동시에 표적결합부위의 두 개의 구조로 이루어진 가변적 펩타이드를 이용하여 시너지 효과를 일으켜 타겟에 대해 매우 높은 친화력과 특이성을 확보할 수 있었다. 그림 2.  암 바이오마커인 EDB에 특이적 앱타이드의 암 표적화. (a) 쥐의 인간 뇌종양 세포를 이식하여 암을 만든 다음에 형광이 표식된 EDB 특이적인 앱타이드(APTEDB1st)와 대조군인 scramble 앱타이드 (scr-APT)를 정맥주사 한 후 시간마다 형광이미지를 얻음. 붉은 화살표는 암을 나타냄. 시간이 지나감에 따라 EDB 특이적 앱타이드는 암에 선택적으로 축적되나 scramble 앱타이드는 암에 전혀 축적되지 않음. (b) 정맥 주사 후 6시간 후에 쥐에서 암, 간, 심장, 폐, 신장, 이자를 절제하여 형광이미지를 얻음. EDB 특이적 앱타이드는 암에 많은 양이 선택적으로 표적화되었으나 scramble 앱타이드는 전혀 암에 축적되지 않았음. 예를 들어 fibronectin extra-domain B (EDB), VEGF, HSA 와 hexa-histidine tag 과 같은 여러 다른 타겟에 대해서 모두 nanomolar 범위의 친화력을 갖는 앱타이드를 발굴할 수 있었고 친화력 향상 과정을 통해 65 nM 인 EDB 특이적 앱타이드를 최대 3 nM 까지 친화력을 향상시킬 수 있었다. 중요하게, 암 바이오마커인 EDB에 특이적인 앱타이드를 이용하여 생체 내에서 암만을 선택적으로 진단할 수 있었다. 결론적으로, 이러한 앱타이드는 어떤 타겟이든 높은 친화력과 특이성을 가지는 펩타이드를 발굴할 수 있기 때문에 항암제 등의 의약품으로서의 용도뿐만 아니라 생체 내 물질의 검출, in vivo 분자 이미징, in vitro 세포 이미징, 약물전달시스템, 에스코트 분자 등에 광범위하게 응용할 수 있다.

<전상용 교수> 1. 인적사항   ○ 소 속 : 광주과학기술원 생명과학부 정교수   2. 학력   ○ 1993 : 한국과학기술원 학사  (화학과)   ○ 1995 : 한국과학기술원 석사  (화학과)   ○ 1999 : 한국과학기술원 박사  (화학과)   3. 경력사항 ○ 1999 ~ 2002 : POSTECH, Postdoctoral Research Scientist ○ 2002 ~ 2004 : MIT, Postdoctoral Associate ○ 2004 ~ 2007 : 광주과학기술원 생명과학부, 조교수 ○ 2007 ~ 2010 : 광주과학기술원 생명과학부, 부교수 ○ 2010 ~ 현재 : 광주과학기술원 생명과학부, 정교수 4. 주요연구업적 1. Park S, Kim YS, Kim WB* and Jon S*. "Carbon Nanosyringe Array as a Platform for Intracellular Delivery", Nano Lett., 2009; 9(4), 1325-1329. 2. Yu MK, Jeong YY, Park JH, Park SJ, Kim JW, Min JJ, Kim KW and Jon S*. "Drug-loaded superparamagnetic iron oxide nanoparticles for combined cancer imaging and therapy in vivo", Angew. Chem. Int. Ed., 2008; 47, 5362-5365. 3. Bagalkot V, Zhang L, Levy-Nissenbaum E, Jon S*, Kantoff PW,    Langer R and Farokhzad OC*. "Quantum Dot-Aptamer Conjugates for Synchronous Cancer Imaging, Therapy and Sensing   of Drug Delivery Based on Bi-Fluorescence Resonance Energy Transfer", Nano Lett. 2007; 7, 3065-3070. 4. Kim D, Park S, Lee JH, Jeong YY* and Jon S*. "Antibiofouling Polymer-Coated Gold Nanoparticles as a Contrast Agent for in Vivo X-ray Computed Tomography Imaging", J. Am. Chem. Soc., 2007; 129, 7661-7665. 5. Lee H, Lee E, Kim DK, Jang NK, Jeong YY* and Jon S*. "Antibiofouling Polymer-Coated Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles as Potential Magnetic Resonance Contrast Agents     for In Vivo Cancer Imaging", J. Am. Chem. Soc, 2006; 128, 7383-7389.