[NCI] 박테리아가 암의 발견에 도움이 될 수 있을까

미국과 호주 과학자들로 구성된 연구팀이 종양에서 방출된 DNA를 탐지할 수 있는 박테리아를 조작했다.

이 새로운 연구에서 연구진은 생쥐에서 공학적으로 설계된 "박테리아 바이오센서"가 대장 종양에 의해 장으로 흘러들어간 돌연변이 DNA를 포착한다는 사실을 보여주었다.

박테리아는 일종의 분자 범인수색을 하여 KRAS 유전자에 돌연변이가 있는 DNA를 찾고 포획하도록 프로그램이 되어 있다. 돌연변이가 된 DNA가 포착되면 유전자 스위치가 작동하여 박테리아가 암이 발견되었음을 나타내는 신호를 내보내게 된다.

연구 결과는 ‘Science’ 8월 11일자에 게재되었다.

암을 비 침습적인 방식으로 탐지하는 것 외에도 이러한 박테리아 바이오센서는 발견한 암의 정확한 유형을 진단하도록 설계될 수 있다고 NCI 미구엘 오산돈 박사는 말했다.

수석 연구원 다니엘 워슬리 박사는 "장내 종양이 발견된 시점 및 장소에서 유전자 조작된 박테리아를 사용하여 장내 종양을 바로 치료를 할 가능성도 있다. 즉, 진단과 치료를 통합하는 것”이라고 말했다.

적어도 하나의 이전 연구에서는 암을 탐지하기 위해 박테리아를 공학적으로 조작하는 것이 가능하다고 보고했다. NCI 암 치료 및 진단 부(DCTD)의 아브라함 라술리 박사에 따르면, 이 연구는 특히 암의 탐지 및 잠재적 진단을 위한 가장 진보된 박테리아 공학이라고 말한다.

하지만 라술리 박사는 이 접근 방식을 사람들에게 사용하려면 훨씬 더 많은 연구 작업이 필요하다고 덧붙였다. 그리고 새로운 기술이 대장내시경을 대체하지는 못할 것이다. 적어도 조만간에는 그렇게 되지 않을 것이라고 워슬리 박사는 말했다. 그는 대장내시경 검사가 여전히 장에서 암으로 발전할 수 있는 종양을 찾아 제거하는 가장 좋은 방법이라고 지적했다.

박테리아는 주변 환경에서 DNA를 흡수할 수 있다

바이오센서를 만들기 위해 과학자들은 많은 박테리아의 자연적인 능력을 이용했다. 박테리아는 자신의 환경에서 자유롭게 떠다니는 DNA를 잡아 비슷한 DNA 조각 대신 자신의 게놈에 봉합할 수 있다고 공동 연구를 주도한 로버트 쿠퍼 박사는 설명했다. 정상적인 상황에서는 이 능력을 통해 박테리아가 성장하고 생존하는 데 도움이 되는 새로운 특성을 얻을 수 있다.

연구팀은 주변 환경에서 DNA를 끌어당기는 데 특히 뛰어난 아시네토박터 베이릴리(Acinetobacter baylyi)라는 박테리아 유형을 사용했다. A. baylyi 박테리아는 쥐의 장에 살 수 있지만 일반적으로 사람에게서는 발견되지 않는다.

유전 공학 기술을 사용하여 과학자들은 박테리아가 KRAS 조각을 찾아 흡수하도록 프로그램을 했다. KRAS의 유해한 돌연변이는 대장암과 폐암, 췌장암을 포함한 기타 암의 발병을 촉진한다.

연구팀은 박테리아가 특히 해로운 형태의 돌연변이 KRAS인 G12D를 흡수하면 항생제 카나마이신에 내성을 갖게 만드는 유전자를 켜서 반응하도록 박테리아를 더욱 조작했다. 카나마이신에 대한 내성은 약물이 있는 곳에서 박테리아가 자라는지 확인함으로써 실험실에서 쉽게 감지할 수 있다.

공학적으로 조작된 박테리아의 검사

일련의 실험실 실험에서 연구팀은 조작된 박테리아가 실험실에서 배양한 대장암 세포와 오가노이드(소형 장기 유사 구조)에서 KRAS G12D가 포함된 DNA를 감지할 수 있음을 보여주었다. KRAS G12D를 흡수했지만 돌연변이가 없는 정상적인 KRAS는 아닌 박테리아가 카나마이신이 함유된 배양 접시에서 자랄 수 있었다.

마지막으로 연구팀은 대장암이 있거나 없는 생쥐의 내장에 조작된 박테리아를 직접 전달했다. 종양이 있는 동물의 장에서 회수된 A. baylyi 박테리아만이 카나마이신의 존재 하에서 성장했다. 그리고 그 박테리아의 게놈에는 변형된 KRAS 유전자가 포함되어 있는 것으로 나타났다.

이 초기 실험들에서 워슬리와 쿠퍼 두 박사는 최고의 성공 가능성을 보장하기 위해 최적화된 시스템을 사용했다고 설명했다. 여기에는 “기증자 DNA”가 조작된 박테리아에 의해 쉽게 포착할 수 있도록 실험실에서 조작된 종양 DNA를 사용하는 것이 포함되었다.

연구 팀은 기본적 공학 개념이 효과가 있음을 확인한 후 A. baylyi를 추가로 조작하여 "자연적이고 조작되지 않은" 종양 DNA를 탐지했다.

지금까지 쿠퍼 박사는 이 교체된 바이오센서가 "실험실 접시에서는 작동하지만 생쥐에서는 제대로 작동할 만큼 정확하지 않다"고 말했다. 이는 위음성 및 위양성 결과를 나타낼 수 있음을 의미한다. 그러나 그것이 극복할 수 있는 장애물이라고 생각한다.

한 가지 분명한 점은 연구에 참여하지 않은 연구팀과 전문가들이 동의했다는 것이다. 그러나 암 치료에 사용할 수 있는 새로운 기술을 개발하고 미세 조정을 하려면 더 많은 연구가 필요하다.

여기에는 인간의 장에서 살 수 있는 박테리아와 같이 인간에게 사용에 더 적합한 유형의 박테리아를 사용하기 위해 시스템을 조정하고 박테리아를 경구 복용으로 전달하는 방법을 개발하는 것이 포함된다. 이는 또한 시스템의 안전성을 보장하기 위해 추가 공학적 조작 및 시험이 필요하다.

그리고 장의 암 이외에 이 접근 방식을 적용하려면 박테리아를 조작하여 췌장과 같이 접근하기 어려운 종양에 들어갈 수 있도록 하는 더 많은 연구가 필요할 것이다.

"모듈식" 및 적응 가능한 접근 방식

박테리아 기반의 암 치료법과 백신을 연구하고 있지만 이 연구에는 관여하지 않은 알버트 아인슈타인 의과대학의 클라우디아 그라베캄프 박사는 "이것은 새로운 접근 방식으로 발전하고 개선할 수 있는 많은 잠재력을 가지고 있다."라고 말했다.

이 박테리아는 쉽게 교체될 수 있는 구성 요소로 설계되었기 때문에 이 접근 방식은 알려진 다른 유형의 암을 유발하는 돌연변이를 탐지하는 데, 다양한 환경에서 적용될 수 있다.

쿠퍼 박사는 이 "모듈형" 유전 공학 기술의 한 가지 장점은 "박테리아에게 다른 DNA 조각을 찾도록 쉽게 지시할 수 있으며" 일단 암이 발견되면 다른 방식으로 반응하도록 할 수 있다는 점이라고 설명했다.

예를 들어, 박테리아는 항생제에 내성을 갖는 대신 소변이나 혈액 샘플에서 쉽게 검출되는 화합물을 생성하도록 조작될 수 있다.

원리 증명 연구는 대장암에서 흔히 볼 수 있는 단일 KRAS 돌연변이를 탐지하는 데 국한되었지만 박테리아는 다른 유형의 암에서 더 흔히 발견되는 돌연변이를 탐지하도록 조작할 수도 있다.

실제로 쿠퍼 박사는 팀이 박테리아를 조작하여 한 번에 하나 이상의 유전적 돌연변이를 감지할 수 있기를 희망한다고 말했다.

다쉬너 박사는 암을 선별하는 다른 검사와 비교하여 새로운 접근 방식의 또 다른 잠재적 이점은 "박테리아가 돌연변이가 발생한 위치와 돌연변이가 발생할 때 돌연변이가 된 DNA를 감지할 수 있다는 것"이라고 말했다.

DNA는 장내 효소에 의해 파괴되는 경우가 많다. 따라서 종양 DNA가 많지 않으면 기존의 대변 기반 검사와 같은 다른 검사에서는 샘플에서 이를 검출하지 못할 수도 있다.

다양한 임상적 활용 가능성의 구상

워슬리 박사에게 있어 유전자 변형 박테리아의 진정한 장기적 전망은 단지 암을 찾는 방법이 아니라 표적 치료의 한 형태일 수 있다 것이다. 그는 박테리아가 “질병이 발견된 시점과 장소에 직접 반응할 수 있기 때문에” 암 또는 심지어 전 암성 병변이 발견되면 그 자리에서 치료법을 시술하는 데 사용될 수 있다고 설명했다.

라술리 박사와 온산돈 박사는 연구에서 논의되지 않았지만 이 기술의 가장 흥미로운 잠재력은 암 진단 및 모니터링을 위한 조직 생검에 대한 비 침습적 대안이라고 믿고 있다.

큰 바늘이나 수술이 필요할 수 있는 조직 생검 대신에 유전자 변형 박테리아를 사용하여 장에서 종양 DNA(아마도 신체의 다른 부위의 종양도 샘플링)를 "표본으로 채취"하고 유전자 분석을 위해 DNA를 전달하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있을 것이라고 그들은 말했다. 이는 잠재적으로 암 생검 및 진단에 혁명을 일으킬 수 있다.

그러나 오산돈 박사는 이 가능한 적용은 아직 "미래의 길"이라고 지적했다. 가까운 시일 내에 조작된 박테리아가 환자 혈액 샘플에서 특정 암 관련 돌연변이를 감지하는 민감한 방법으로 신체 외부에서 사용될 수 있다고 시사했다.

만일 연구원들이 그 일을 할 수 있다면 그것은 멋질 것이며 수많은 암에 적용될 수 있을 것이다.