▲ 가톨릭대학교 의과대학 미생물학교실 이혜옥 교수(좌),한양대학교 생명공학과 최재훈 교수(우)

가톨릭대학교 의과대학 미생물학교실 이혜옥 교수가 한양대학교 생명공학과 최재훈 교수와의 공동 연구로 단일세포기반전사체 분석(Single-cell transcriptome analysis)을 활용해 고지혈증에 의한 대동맥판막질환(Aortic valve disease)의 초기 진행 기전을 새롭게 규명했다. 

대동맥판막질환은 내피세포의 손상이나 고지혈증 등에 의한 대동맥판막 내 지질 침착 등이 원인으로 발생할 수 있으며, 질병이 심화될수록 판막의 섬유화 및 석회화 등의 비가역적인 변화가 축적됨에 따라 판막이 좁아지게 되고, 최종적으로 판막이 잘 열리지 못하고, 좌심실에서 대동맥으로 혈액을 제대로 보내지 못하는 기능적인 문제가 발생한 상태인 대동맥판막협착증(Aortic stenosis)으로 심화된다. 

기존 연구에 따르면 대동맥판막협착증은 증상이 나타날 경우 2년 내 생존율이 50% 정도밖에 되지 않을 만큼 위험한 질병이지만, 판막치환술 등의 침습적인 치료 방법만이 존재하며, 약물을 이용한 치료는 아직 미비하다. 

따라서 예방 관점으로 접근할 필요성이 있었고, 대동맥판막질환의 초기 형성 및 진행에 대한 생물학적 기전의 규명이 그만큼 중요했다. 

▲ 마우스 대동맥판막 세포에 대한 단일세포전사체 분석 결과. 대동맥판막에서 고지혈증과 관련된 세포 역학을 조사하기 위해 마우스 대동맥판막의 단일세포전사체 분석을 실시한 결과 6,574개의 세포를 12개의 세포 클러스터로 분류할 수 있었고, 각 세포 클러스터는 유전자 발현 정도에 따라 VIC, VEC, 백혈구(대식세포, DC, T세포, B세포)의 세 가지 세포 계통으로 나눠짐을 발견했다.

이혜옥 교수 공동연구팀은 초기 기전을 규명하기 위해 최근 각광받고 있는 '단일세포 기반 전사체 분석'방법을 활용해 정상 또는 고지혈증 상태의 마우스로부터 채취한 대동맥판막을 단일세포로 분리한 후, 단일세포 RNA 시퀀싱을 통해 세포 각각의 mRNA 발현에 기반, 고지혈증 상태의 판막에서 주로 증대되는 면역세포의 종류를 밝혀냈다. 

▲ 혈중 LDL 콜레스테롤 증가에 따른 대동맥판막 내 지질 침착 및 대식세포 침윤 증가. PCSK9-AAV를 주입해 혈액 LDL 콜레스테롤 증가를 유도한 마우스는 대조군 (Apoe-/- 마우스)에 비해 5.7배 더 많게 지질 침착이 있었으며(Oil Red O 염색 이미지), 대식세포가 증가한다는 것을 발견했다. 이를 통해 혈청 LDL 콜레스테롤의 증가는 대동맥판막의 지질 침착 및 대식세포 침윤을 유도해 대동맥판막 병변에 영향을 준다는 것을 확인했다.

또한, 지질처리(lipid handling)에 특화된 대동맥판막 내피세포(Aortic valvular endothelial cell)는 고지혈증상태에서 증가하며, 해당 내피세포가 전사인자 'PPARγ(Peroxisome Proliferator-Activated Recepter)' 발현을 통해 항염작용이 나타나는 것을 확인했다.

▲ 대동맥판막 내 존재하는 면역세포의 마커를 시각화하는 whole-mount 면역형광 염색 사진. whole-mount 면역형광 염색을 통해 대동맥판막 내 주요하게 존재하는 MHC-II(적색)과 CD206(녹색)을 발현하는 대식세포가 공간적으로 다르게 위치하고 있음을 확인했다.

공동연구팀은 정상 또는 고지혈증상태에서의 대동맥판막 내 세포 다양성 및 변화를 확인했으며, 초기 대동맥판막질환에서 혈청 LDL 콜레스테롤 조절과 PPARγ 작용이 판막 내 염증을 경감시킨다는 것을 밝혀냈다. 

▲ 전사인자 PPARγ 작용제(피오글리타존염산염) 투여에 의한 마우스 대동맥판막 내 염증 감소를 나타내는 유세포분석 결과. 고지혈증 마우스에 PPARγ 작용제를 투여한 경우, 대조군에 비해 대동막판막 백혈구의 비율이 현저히 감소했다. MHC-IIloCD11c-CD206+ 대식세포, DC, T세포는 큰 변화가 나타나지 않았다.

이러한 연구결과는 초기 대동맥판막질환의 발생 기전의 이해와 고지혈증치료제 및 PPARγ 작용제를 이용한 질병 예방법에 활용될 것으로 기대된다. 

▲ 환자 유래 대동맥판막 내피세포에서의 PPARG 유전자 침묵에 의한 염증관련 유전자의 발현 증대. 환자 유래 대동맥판막 내피세포에서 PPARG 유전자 침묵이 VEC에서 CXCL1, CCL2, CXCL16, IL6, ICAM1, ICAM2와 같은 전염증성 유전자의 발현을 증대시킨다는 것을 확인했다.

이혜옥 교수는 "이번 연구는 최신 유전체 분석 기술을 적용해 질병 기전과 예방법을 제시한 연구결과로 성공적인 기술-질환 연구팀 간 공동연구의 모범사례라 할 수 있다"라고 말했다. 

한편, 이번 연구는 가톨릭대 의과대학 미생물학교실 이혜옥 교수, 김나영 박사가 참여했으며, '단일세포전사체분석을 통해 밝혀낸 대동맥판막 세포 다양성 및 고지혈증 상태에서의 PPARγ에 의한 염증 조절(Single-cell transcriptomics reveal cellular diversity of aortic valve and the immunomodulation by PPARγ during hyperlipidemia)'라는 제목으로 세계적 학술지 'Nature Communications(IF 17.694)'에 지난 9월 17일 온라인판으로 게재됐다.