엑소좀의 진화: 평범한 선수에서 기대주로

'천연 지질 나노 입자'라는 별명을 가진 엑소좀은 정상적인 생리 과정의 일부로 또는 특정 병리학적 조건에서 세포에서 생겨난 일종의 세포외 소포입니다. 엑소좀은 단백질, 핵산 및 기타 생체분자의 형태로 세포 간에 메시지를 전달할 수 있다는 점에서 과학계의 관심을 받고 있습니다. 또한 치료 및 진단 분야에서의 가능성으로 인해 기업과 학계에서 모두가 관심을 보이고 있습니다. 엑소좀의 잠재력을 예측하고 충분히 활용하려면 연구 동향의 깊이와 범위를 이해해야 합니다.

3부로 구성된 이 시리즈에서는 엑소좀의 역사를 살펴보고 최신 엑소좀 연구 동향을 약물 전달 및 진단 관점에서 소개합니다. CAS Content Collection™에서 얻을 수 있는 통찰력으로 엑소좀 활용 분야에 대한 최신 연구 발전을 개괄적으로 파악하고 빠르게 확대되고 있는 이 분야의 기회와 과제를 집중 조명합니다.

엑소좀 활용 분야의 혁신

연구원들이 사람 혈장에서 미세 입자를 처음 발견한지도 50년이 넘었습니다. 연구원들은 이 물질을 “혈소판 먼지”라고 불렀으며 지질을 많이 함유하고 혈소판 활성화에 관여한다는 사실을 발견했습니다. 그러나 1980년대에 들어서야 이 30~150nm 크기의 세포외 소포를 처음 정의하고 ‘엑소좀’으로 명명할 수 있었습니다.

리포좀과 마찬가지로 엑소좀은 지질막과 내부 수성 매질로 구성됩니다. 그러나 엑소좀은 단백질과 지질의 다량 함유로 구조가 좀 더 복잡하다는 사실이 밝혀졌습니다. 엑소좀은 대부분 진핵 세포의 엔도조말 부위에서 생성된 후 원형질 막과의 융합으로 세포외 공간으로 배출됩니다. 분비 세포에서 배출된 엑소좀은 표면 수용체 상호작용, 막 융합을 비롯하여 수용체 매개 세포내 섭취, 식균 작용 및/또는 미소세포 흡수 작용 등의 여러 메커니즘을 통해 이 숙주세포로 메시지를 전송합니다(그림 1).

그림 1. 엑소좀 생물 발생 및 분비 과정을 보여주는 도식. 이 그림은 엑소좀의 분자 구성을 보여줍니다.

초기 특성 분석 후 추가 연구를 통해 엑소좀이 면역 세포, 장상피 세포, 신경 세포 등 대부분의 생존 세포 유형에서 분비된다는 사실이 밝혀졌습니다. 엑소좀은 혈액, 소변, 모유, 양수, 관절 낭액, 뇌척수액, 심지어 눈물과 같은 다양한 생물학적 유체에도 존재합니다.

세포간 이동에 있어 엑소좀 동선은 면역, 조직 항상성, 재생 등 많은 건강 및 질병 특성에서 중요한 역할을 합니다. 엑소좀은 세포 간 및 생물학적 장벽(혈액-뇌 장벽 포함) 사이의 효율적인 세포 간 커뮤니케이션과 시그널링을 가능하게 합니다. 엑소좀은 또한 단백질, 지질, 핵산과 같은 생리 활성 물질을 전달할 수 있는 효과적인 세포 운반 시스템입니다. 엑소좀은 중요한 생리 활동에 관여할 뿐만 아니라 암, 심혈관 및 신경변성 질환, 바이러스성 감염과 같은 질환의 발병에도 중요한 역할을 합니다.

엑소좀 입자의 고유한 특성

이 작은 입자가 어떻게 큰 영향을 미칠 수 있는지 이해하기 위해 그 고유한 특성을 알아보도록 하겠습니다. 먼저 엑소좀은 지질 이중층 막 구조에 따라 극한의 종양 미세 환경에서도 순환이 가능할 정도로 본질적으로 안정적입니다. 지질 이중층은 또한 면역원성과 유독성을 최소화하여 세포외 공간으로의 안정화에 도움을 줍니다. 엑소좀은 또한 내생적 특성으로 인해 생체 적합성이 매우 우수합니다. 마지막으로 엑소좀은 조직/세포 침투능이 뛰어납니다. 엑소좀은 이러한 특성으로 인해 다른 약물 전달 시스템과 관련된 여러 한계를 극복할 수 있습니다. 실제로 연구원들은 다른 약물 운반 시스템 대비 엑소좀의 장점을 인지하기 시작했습니다.

엑소좀 연구에 대한 CAS의 통찰력

엄선된 최대 규모의 과학 정보 컬렉션인 CAS Content Collection™의 분석을 통해 엑소좀 관련 게재 동향에 대한 훌륭한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 현재 CAS 컨텐츠 컬렉션에서 엑소좀/세포외 소포 관련 과학 간행물(학술지 논문과 특허)은 40,000건이 넘으며 계속 안정적이면서도 기하급수적인 증가세를 나타내고 있습니다(그림 2).

그림 2. 약물 전달 및 진단과 연구 기금 모금과 관련된 엑소좀 연구 학술지 및 특허의 게재 동향. (A) 약물 전달 및 진단 분야에서 엑소좀과 관련된 간행물 수 동향(학술지 논문과 특허 포함). (B) 연간 NIH 자금 모금과 관련하여 미국 내 조직에서 작성되는 문서 수.

지난 3~4년 동안 엑소좀은 효과적인 약물 전달체로서 지질 나노 입자(LNP)보다 선호되었으며 특허, 학술지 논문을 포함하여 약물 전달 목적으로 사용되는 엑소좀과 관련된 문서 수가 LNP를 크게 넘어섰습니다(그림 3).

그림 3. 약물 전달에 사용되는 엑소좀 및 지질 나노 입자의 게재 동향. (A) 엑소좀 및 지질 나노 입자 관련 간행물 수 동향 비교. (B) 학술지 논문(JRN)과 특허(PAT)에서 엑소좀(EX) 및 지질 나노 입자(LNP)와 관련된 간행물의 해당 백분율을 비교합니다.

엑소좀 연구의 중요 요소

CAS 컨텐츠 컬렉션에 따르면 미국, 중국, 한국, 일본이 엑소좀 연구 분야를 선도하고 있으며 이 주제와 관련된 학술지 논문과 특허를 가장 많이 발표하고 있습니다. 엑소좀과 관련된 특허 활동 또한 기업과 학계에서 균등하게 공유되면서 약물 전달, 진단 및 관련 분야에서 그 가능성에 대한 인식이 광범위하게 나타나고 있습니다. MD Healthcare, Codiak Biosciences, OncoTherapy Science가 모든 기업 중에서 가장 많은 특허를 보유하고 있으며 대표적인 대학교와 병원은 캘리포니아대학교, 루이빌대학교, 저장대학교입니다(그림 4). 특허 분포 측면에서는 세계지식재산권기구(WIPO)가 가장 많은 특허 출원을 받았으며 미국 및 중국 특허청, 유럽 특허청(EPO), 한국 및 일본 특허청이 그 뒤를 잇고 있습니다.

그림 4. 약물 전달 및 진단 분야에서의 엑소좀 활용과 관련된 특허를 보유한 기업 (A)과 대학교 및 병원 (B)의 주요 특허 양수인.

엑소좀의 가능성

엑소좀은 고유한 특성과 광범위한 생리학 및 병리학적 프로세스에서의 역할에 따라 약물 전달 및 진단 분야의 기대주로 부상했습니다. 이러한 천연 나노 전달체의 잠재적인 활용 분야는 무한해 보이며 화장품, 식품 분야에서의 활용 가능성에 대한 연구도 진행되고 있습니다.

이 시리즈의 다음 블로그에서는 CAS 컨텐츠 컬렉션의 통찰력을 토대로 약물 전달 및 진단 분야에서 엑소좀의 주요 치료 활용 사례를 자세히 알아봅니다. CAS의 엑소좀 통찰력 보고서에서도 이 주제를 자세히 알아볼 수 있습니다.