통증 조절 진통제 개발 가능성 기대
The Ca2+-activated chloride channel anoctamin-2 mediates spike-frequency adaptation and regulates sensory transmission in thalamocortical neurons
미래창조과학부(장관 최양희)는 “지속적인 통증을 뇌 속의 칼슘의존성 음이온 채널*(아녹타민-2*)이 인지하고 조절하는 통증 조절 메커니즘을 국내 연구진이 최초로 규명하였다”고 밝혔다.
* 음이온채널 : 음전하 이온이 드나들 수 있는 세포막의 통로
* 아녹타민-2 (Anoctamin-2) : 칼슘-의존성 음이온 채널(CACC: Calcium-activated chloride channel)인 염소채널
연구팀은 칼슘의존성 음이온 채널인 아녹타민(Anoctamin)-2가 뇌에서 발현되고 뇌에서 통증을 인지하고 조절한다는 새로운 사실을 발견하여 통증 치료의 새로운 가능성을 열었다.
정은지 교수 연구팀(연세대)은 미래창조과학부․한국연구재단 기초연구사업(개인연구), 원천기술개발사업(나노소재기술개발사업), 교육부 BK21플러스사업, 산업통상자원부 국제공동기술개발사업의 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 12월 19일자에 게재되었다.
o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
- 논문명 : The Ca2+-activated chloride channel anoctamin-2 mediates spike-frequency adaptation and regulates sensory transmission in thalamocortical neurons
- 저자 정보 : 정은지 교수(교신저자, 연세대), 하고은 박사과정 (제1저자, 연세대), 이재광 박사(공동 제1저자, 한국산업기술진흥원)
□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.
1. 연구의 필요성
통증은 위험으로부터 몸을 보호하기 위해 반드시 필요한 감각이지만, 과도한 통증 반응이나 제어 불가능한 통증은 일상생활에 지장을 주는 불편한 감각이 될 수 있다.
2010년 만성 통증 환자가 220만명(건강보험공단 통계자료)을 넘었다. 빨리 치료하지 않으면 통증을 유발하지 않는 자극에도 통증을 느끼게 되는 악성 통증으로 발전할 가능성이 있다. 하지만, 아직 정확한 만성 통증의 원인이 밝혀지지 않았다. 그러므로 통증을 조절할 수 있는 메커니즘을 밝혀내어 실질적으로 적용할 수 있는 방법의 개발이 필요하다.
2. 연구 내용
연구팀은 시상신경세포*가 감각정보를 지속적으로 전달하는 것을 억제하는 음이온채널의 존재와 그 메커니즘을 최초로 밝혔다. 중추신경계인 뇌에서 칼슘 의존성 음이온채널의 발현이나 기능이 기존 연구에서는 거의 알려져 있지 않았으나, 이 연구를 통해 시상신경세포 신경 세포가 지나치게 활성화 되면 칼슘 의존성 음이온채널인 아녹타민(Anoctamin)-2(ANO2)가 열리면서 활성을 억제하는 것을 발견하였다.
* 시상신경세포 : 뇌시상에서 대뇌피질로 감각 정보를 전달하는 신경세포
시상신경세포가 과도하게 활성화되면 ANO2채널이 감각정보 전달을 효과적으로 줄여준다는 것을 최초로 밝혔다. 정상적인 시상신경세포에서는 지속적으로 신경 세포를 활성화시켰을 때 신호자가조절(spike-frequency adaptation)* 현상이 나타난다. 하지만 ANO2의 발현을 억제한 시상신경세포에서는 이러한 신호자가조절이 없어져 전기신호를 지속적으로 보내는 것을 관찰하였다. 이는 ANO2가 신경 세포의 지속적 활성화를 억제하는데 관여함을 의미한다.
* 신호자가조절 : 신경세포의 지나친 활성을 스스로 억제하는 현상으로 이를 통해 효과적인 신경세포 활성 가능
* spike: 신경세포가 정보를 보내는 방식인 전기신호
동물 실험에서는 ANO2 발현이 억제된 생쥐의 경우 정상 생쥐에 비하여 통증 반응이 지속적이고 빈번하게 나타나는 것을 관찰하였다. 따라서 ANO2 발현 억제에 의하여 발생하는 신경 세포의 과활성화가 대뇌 피질로 감각 정보를 과하게 전달하여 통증이 지속되도록 하는 효과를 유도함을 밝혀내었다. 따라서 ANO2 발현 억제에 의하여 발생하는 신경 세포의 과활성화가 대뇌 피질로 감각 정보를 과하게 전달하여 통증 반응이 지속되도록 하는 효과를 유도함을 밝혔다.
결론적으로 ANO2 채널은 시상신경세포의 정상적인 신호 전달은 방해하지 않고 지속적이고 과도한 신호 전달만을 효과적으로 억제한다는 점을 밝혀냈다. 이는 정상 감각정보 전달은 방해하지 않으면서 지속적 통증과 같은 과도한 신호전달만 효과적으로 조절할 수 있음을 시사한다.
3. 연구 성과
이 연구를 통해 그 동안 알려져 있지 않았던 칼슘-의존성 음이온 채널이 중추신경계의 신경세포 신호 전달을 조절하는 새로운 메커니즘을 밝혔다.
ANO2채널의 작용을 조절함으로써 시상신경세포의 과도한 활성화뿐만 아니라 지속적 통증에 의한 행동 반응을 조절할 수 있음을 밝혔다. 아직 ANO2채널에 대한 연구가 다양하게 이루어지지 않았으며, 이를 특이적으로 활성화 혹은 비활성화 시키는 약물들의 개발도 이루어지지 않고 있다. 따라서 ANO2 채널에 작용하는 약물의 스크리닝을 통하여 통증을 조절하는 약물의 개발에 대한 가능성을 확인하였다.
아직도 극심한 통증에는 마약성 진통제가 사용되고 있으며 마약성진통제는 내성이 생기는 부작용이 있다. 이 연구는 기존의 진통제가 효과가 없는 지속적이고 극심한 통증을 제어할 수 있는 단초를 제공하여 새로운 타입의 진통제 개발의 가능성을 보여준다.
시상신경세포뿐 아니라 해마신경세포에서도 ANO2채널이 발현됨을 밝혀 해마신경세포의 기능에 미치는 영향에 대한 향후 연구에도 거는 기대가 크다.
정은지 교수는 “이 연구는 뇌의 정상적인 감각 정보전달을 저해하지 않으면서 지속적이고 과도한 활성에 의한 통증 정보 전달을 차단하는 메커니즘을 밝힌 것이다. 기존의 통증 치료가 효과가 없던 지속적 통증의 조절을 위한 초석이 될 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
통증은 위험으로부터 몸을 보호하기 위해 반드시 필요한 감각이지만, 과도한 통증 반응이나 제어 불가능한 통증은 일상생활에 지장을 주는 불편한 감각이 될 수 있다. 제어가 힘든 지속적 통증이나 신경병성 통증 등에 대해 마약성 진통제 외에는 효과적인 치료법이 뚜렷하게 없었다.
뇌 중심부에 위치한 시상은 감각 정보 전달에 중요한 부위이다. 신체에서 감지되는 촉각, 통증, 온도 등의 감각 정보들이 감각 신경 세포들을 활성화시키면 이 감각 정보들이 시상 영역으로 전달되고 이는 다시 대뇌 피질의 신경 세포를 활성화시키며 정보를 전달한다. 따라서 시상신경세포의 활성은 우리가 인지하는 감각 정보의 양과 밀접한 관련이 있다.
2. 연구내용
신경세포에 정보 전달은 활동전위(spike) 생성 정도에 비례하게 되는데 이는 지속적 자극에 의해 spike 과도하게 생성되면 그 갯수가 급격히 줄어드는 일종의 신호자가억제* 현상이 나타나게 된다. 이 연구는 이 신호자가억제가 일어나는 메커니즘을 밝혔다.
* 신경자가억제 : 신경세포의 지나친 활성을 스스로 억제하는 현상
연구팀은 시상신경세포가 감각정보를 지속적으로 전달하는 것을 억제하는 음이온채널을 존재와 그 기전을 최초로 밝혔다. 시상신경세포 신경 세포가 지나치게 활성화 되면 칼슘-의존성 음이온 채널(CACC)인 아녹타민2(Anoctamin2, ANO2)가 열리면서 활성를 억제하는 역할을 하는 것을 밝혔다. 중추신경계인 뇌에서 CACC 염소채널의 발현이나 기능이 기존 연구에서는 거의 알려져 있지 않았다.
신경 세포의 활성을 줄이는 과분극화(afterhyperpolarization : AHP) 를 형성하는데 관련이 있는 이온 채널은 일반적으로 칼슘에 의하여 활성화되는 칼륨 채널(calcium-activated potassium channel)들이 연관이 있다고 알려져 있었다. 이 연구에서는 칼슘-의존성 음이온채널이 신호자가조절 (spike frequency adaptation)을 일으키고 이것이 시상신경세포의 과활성을 매우 효과적으로 억제한다는 것을 밝혔다. 칼륨 채널의 경우 AHP를 크게 만드는 것에 반해 염소채널은 활성 정도에 따라 활동전위(spike)의 숫자를 효과적으로 튜닝한다는 점도 보여주었다. 지속적으로 신경 세포를 활성화시켰을 때 정상 신경세포에서는 활동 전위가 지속적으로 나타나는 것이 아니라 점차적으로 활동 전위가 나타나는 간격이 넓어지는 신호자기조절 현상이 나타났다. 하지만 ANO2의 발현을 억제한 신경 세포에서는 이러한 신호자기조절 현상이 억제되어 나타나는 것을 관찰하였다. 이는 ANO2가 신경 세포의 활성화에 의하여 유도되는 비활성화 과정에 관여함을 의미한다.
또한 ANO2 발현이 억제된 생쥐의 경우 정상 생쥐에 비하여 통증 반응이 지속적이고 빈번하게 나타나는 것을 관찰하였다. 따라서 ANO2 발현 억제에 의하여 발생하는 신경 세포의 과활성화가 대뇌 피질로 감각 정보를 과하게 전달하여 통증이 지속되도록 하는 효과를 유도함을 밝혔다. 따라서 ANO2 발현 억제에 의하여 발생하는 신경 세포의 과활성화가 대뇌 피질로 감각 정보를 과하게 전달하여 통증 반응이 지속되도록 하는 효과를 유도함을 밝혔다.
결론 : ANO2채널은 시상신경세포의 정상적인 신호 전달은 방해하지 않고 지속적이고 과도한 신호 전달만을 효과적으로 억제한다는 점이다. 이는 정상 감각정보 전달은 방해하지 않으면서 지속적 통증과 같은 과도한 신호전달만 효과적으로 조절할 수 있음을 시사한다.
3. 기대효과
아직도 진통제의 세계시장 규모는 2015년 약 1000억 달러를 돌파한 것으로 알려져 있다. 통증은 매우 다양한 형태로 치료 및 관리에도 온갖 방법들이 동원되고 있다. 그러나 아직도 극심한 통증에는 마약성 진통제가 사용되고 있으며 마약성진통제는 내성이 생기는 부작용이 있다. 이 연구는 기존의 진통제가 효과가 없는 지속적이고 극심한 통증을 제어할 수 있는 단초를 제공하여 새로운 타입의 진통제 개발 가능성을 보여준다.
이 연구를 통하여 ANO2 채널의 작용을 조절함으로써 시상 신경 세포의 활성화뿐만 아니라 통증에 의한 행동 반응을 조절할 수 있음을 밝혔다. 아직 ANO2 채널에 대한 연구가 다양하게 이루어지지 않았으며, 이를 특이적으로 활성화 혹은 비활성화 시키는 약물들의 개발도 이루어지지 않고 있다. 따라서 이후의 ANO2 채널에 대한 길항제(agonist) 및 저해제(antagonist)의 스크리닝을 통하여 통증을 조절하는 약물의 개발에 대한 가능성을 확인하였다. 따라서 ANO2는 새로운 진통제 개발의 타깃이 될 수 있을 것으로 기대된다.
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
시상신경세포의 활동전위의 정량적 양은 시상신경세포로부터 해당 감각대뇌피질로 전달되는 정보의 양과 비례한다는 것은 오랜 정설이었다. 시상신경세포는 그 활성이 그다지 높지 않을때는 매우 일정한 간격의 활동전위 즉 spike를 만들어 신호를 전달하는 특성이 있다고 알려져 왔고 이는 규칙적 발화(regular spiking)패턴이라고 불려왔다. 선행연구를 수행하던 중 시상신경세포를 지속적으로 과활성화 시키면 이러한 활동전위 생성의 특징이 사라지고 spike frequency adaptation 즉 자가신호억제 양상을 띤다는 것을 관찰하게 되었고 이러한 현상이 칼슘 의존적이라는 것을 관찰하여 그 메커니즘을 연구하게 되었다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
연구팀은 시상신경세포의 자가신호억제가 기존에 알려져 있던 칼슘-의존성 칼륨채널인지를 연구하던 중 알려져 있지 않던 음이온 전류가 칼륨 전류보다 오히려 훨씬 더 큰 비중을 차지하고 있다는 것을 발견하였다. 처음 중추신경계에 칼슘 의존성 음이온 채널의 존재나 그 역할이 거의 알려진 바가 없어 초기 연구 진행에 어려움이 컸으나, 다양한 실험적 접근 방법으로 후보 채널들 중 어느 채널에 의해 이 현상이 일어나며 이러한 자가신호억제가 어떻게 조절되는지 메커니즘을 연구하였다
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
칼슘의존성 음이온채널은 그 종류가 다양하지만 각각을 선택적으로 활성화시키는 길항제 (agonist) 및 저해제(antagonist)가 없어 처음 그 종류를 구분하기 매우 어려웠음. 결국 스크리닝을 통해 그 후보를 좁혀 유전자적 접근으로 모든 실험을 진행하여 후보채널들을 테스트해야 했기 때문에 많은 시간과 노력이 들었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
시상신경세포 칼슘-의존성 음이온 채널이 매우 효과적으로 자가신호억제를 매개한다는 것을 밝혔다. 신경세포의 과활성화를 막는 것으로 알려져 왔던 칼슘 의존성 칼륨 채널은 보다 낮은 칼슘 농도에 반응하고 채널이 활성화 되면 막전압을 과도하게 과분화시켜 전기신호가 강력하게 저해되어 정상적인 신호전달에도 영향을 미칠 가능성이 매우 높았다. 이에 반해 이 연구에서 밝힌 칼슘의존성 음이온 채널은 상대적으로 높은 칼슘에 의해 활성화되고 신호 전달을 아예 차단하는 것이 아니라 그 양을 적절하게 튜닝해 준다는 점에서 차별화된다. 따라서 정상신호 전달은 저해하지 않으면서 과도한 통증신호 전달이나 지속적인 감각의 조절이 필요할 때 효과적인 분자 타깃이 될 수 있을 것으로 기대된다.
용 어 설 명
1. 시상신경세포 (Thalamocortical neuron)
○ 뇌 중심부에 위치한 시상신경세포는 감각신호를 말초신경으로부터 전달받고 각 감각을 담당하는 대뇌피질로 신호를 다시 전달하는 신경세포임.
2. 음이온 채널
○ 클로라이드와 같은 음이온만을 통과 시키는 막단백질
3. 칼슘-의존성 음이온 채널 (Calcium-activated chloride channel)
○ 세포내로 들어온 칼슘에 의해 활성화되는 음이온 채널로 세포내의 음이온 농도에 따라 활성화시 음이온 흐름의 방향이 결정됨.
4. 칼슘-의존성 칼륨 채널 (Calcium-activated potassium channel)
○ 세포내로 들어온 칼슘에 의해 활성화되는 칼륨 채널로 양이온인 칼륨의 방출을 만들기 때문에 신경세포의 막전압을 과분극화시켜 신경세포의 활성을 억제함.
5. 활동전위 혹은 발화 (action potential or spike)
○ 신경세포가 정보 전달 방식인 전기신호
그 림 설 명
(그림 1) 시상신경세포의 칼슘의존성 음이온채널에 의한 신호 전달 억제 현상
노란색으로 표시된 부분은 생쥐뇌의 시상 내 시상 전달핵위 위치를 표시한 것이다. 이 부분에 있는 시상신경세포에서 발현되는 칼슘의존성 음이온 채널(CACC)인 ANO2가 활성화되어 음이온이 안으로 들어오면 막전압 분극이 더 커지면서 신호자가억제(spike frequency adaptation)가 일어나기 된다. 이러한 음이온의 발현을 저해했을 경우에는 신호자가억제가 일어나지 않아 시상신경세포의 신호가 지속적으로 전달되게 된다.
(그림 2) ANO2 채널에 의한 음이온 전류와 시상신경세포의 신호자가억제 조절
a. AAV-Scr을 주입한 대조군 시상신경세포에서 보이는 음이온 전류가(왼쪽 패널) ANO2채널 발현을 저해하는 AAV-shANO2를 주입한 시상신경세포에서 현저하게 감소 (오른쪽 패널)을 보여줌.
b. 이러한 음이온의 크기를 그래프로 정량화하는 그래프로 나타낸 그림이다.. t-test를 통해 통계적으로 유의미하게 차이가 난다는 것을 알 수 있다.
c. AAV-Scr을 주입한 대조군 시상신경세포에서 보이는 신호자가억제(spike frequency adaptation) 패턴이(왼쪽 패널) ANO2채널 발현을 저해하는 AAV-shANO2를 주입한 시상신경세포에서는 사라지고 훨씬 지속적으로 많은 신호를 전달한다는(오른쪽 패널) 것을 보여준다.
(그림 3) 시상신경세포의 ANO2 발현 억제에 따른 통증의 증가와 통증반응의 양상 변화
a. 생쥐의 시상에 AAV-Scr을 주입한 대조군과 ANO2채널 발현을 저해하는 AAV-shANO2를 주입한 후 3주뒤 통증 반응 행동 실험을 실시하였다.
b. 통증 반응 실험은 복강내로 아세트산을 주입하여 지속적 복통 반응을 관찰하였다.
c. 복통반응을 막대로 표시하였을 때 대조군(AAV-Scr)의 경우 통증 반응을 가장 활발하게 보이는 구간에서도 통증반응이 지속되다 멈추다 하는 양상 (pain on-off)이 보이지만, AAV-shANO2를 주입한 생쥐는 이러한 양상 없이 지속적으로 통증 반응을 보이는 것을 알 수 있다.
d. 통증 반응을 시간별로 정량한 결과, AAV-shANO2을 주입한 생쥐가 통증 반응을 통계적으로 유의미하게 많이 하였음을 알 수 있다.
