당뇨병 망막병증(상편)의 전임상 연구

소위 눈을 소중히 한다는 것은, 많은 사람들이 가장 먼저 근시안과 같은 문제에 초점을 맞추지만, 종종 안과 질환도 합병증으로 존재할 수 있다는 것을 간과한다. 고혈당, 고혈압 등 건강에 영향을 미치는 위험 요인을 한 사람이 휴대할 때 당뇨병 망막 병증이 조용히 도래하고 있을 수 있다.

1. 만만치 않은 유병률

당뇨병 망막병증(Diabetic Retinopathy, DR)은 당뇨병 환자에게서 흔히 볼 수 있는 미세혈관 합병증이다. 미국에서 DR은 2형 당뇨병 환자의 40%, 1형 당뇨병 환자의 86%를 차지한다. 중국 인구의 횡단면 연구에 따르면 중국 농촌에서는 30세 이상 당뇨병 환자가 2110만 명에 달하고 이 중 약 920만 명이 DR을 앓고 있다. 또한 영국, 호주, 아시아의 다른 나라들의 해당 대열 연구도 DR 발병률이 20% ~ 50% 사이라고 보고했다.

2. 임상 질병 분류

DR의 진행 단계와 심각도에 따라 임상은 비증식형(Nonproliferative diabetic retinopathy, NPDR)과 증식형(Proliferative diabetic retinopathy, PDR)의 두 가지 아형(subtypes)으로 나뉜다. 미국 WESDR 의 10 년 대기열 연구에 따르면 진단이 명확한 DR 환자 중 17% 가 시력을 심각하게 위협하는 PDR로 발전할 것으로 나타났다. 25 년간의 또 다른 대열 연구에 따르면 시간이 지남에 따라 1 형 당뇨병 환자는 97% 의 동시 DR 을 갖게 되며 그 중 43% 가 PDR 로 발전할 것으로 나타났다. PDR은 망막병리 신생혈관과 섬유혈관 증식막 형성이 특징인 말기 DR로, 더 나아가 유리 부피혈(Vitreous hemorrhage, VH)과 견인성 망막박리(Tractional retinal detachment, TRD)가 합병하면 환자의 시력에 심각한 손상을 주거나 치맹을 초래할 수 있다.

3. DR 및 관련 질병의 동물 모델 재고 조사

동물 모델은 질병의 발병 메커니즘을 이해하는 연구 도구이며 합리적인 동물 모델을 골라내 약물의 임상 치료 효과를 평가하는 데도 큰 도움이 된다.

DR 동물 모형

DR은 고혈당 기반 자발적 발생, 외과 수술이나 유전자 편집 등 다양한 모델링 방식으로 질환 동물 모델을 획득할 수 있다.

유전자 마우스 모델

DR 의 유전적 마우스 모델은 주로 Akita, 비만이 아닌 당뇨병 (non-obese diabetic, NOD), db/db、Kimba, Akimba 등 5 종으로 구성되며 유전패턴, 질병병인학, 병리학, 질병진행에 따라 다르다.

Akita 마우스는 제1형 당뇨병의 모델로 주로 인슐린 유전자 Ins2 돌연변이에 의해 인슐린 단백질의 구조가 변화해 세포사멸로 이어진다. 이 모델은 혈관 투과성 증가, 주피세포 손실, 신생혈관 형성을 나타낼 수 있다. 따라서 Akita 마우스는 DR의 조기 진전과 신경보호작용 계열 약물의 약효 평가에 적합한다[1].

NOD 마우스는 1 형 당뇨병의 동물 모델로, 마우스는 12 주령에 자발 고혈당이 발생하고 혈당이 4 주 높아지면 주피세포(pericyte), 내피세포, 망막 신경절 세포 (retinal ganglion cells, RGCs) 가 시들어 망막 모세혈관 기저막이 두꺼워지고 약 4 개월 동안 대혈관 수축과 퇴행성 변화 및 미혈관 이상이 감지된다.

db/db 마우스는 자가발형 유전자 돌연변이 마우스로 2형 당뇨병의 성숙 모델이다. 그 렙틴 수용체에 돌연변이가 발생하여 4~8주경에 비만과 고혈당이 나타나며, 6주 동안 지속되면 RGCs 수가 감소하고 중앙망막 두께가 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 15 개월 후, 이 마우스들은 출혈-망막 장벽 (blood-retinal barrier, BRB) 의 심각한 파괴, 주피세포(pericyte) 손실, RGCs 세포 사멸, 콜로이드 세포 활성화를 나타냈다.

Kimba 마우스는 증식성 망막병변의 비당뇨병 모델로 순합자(homozygous) Kimba마우스와 Akita 마우스로 교배해 Akimba 마우스가 탄생했다.

Akimba 마우스의 표현은 Kimba 마우스와 Akita 마우스의 특징을 겸하고 있으며, 주로 주피세포(pericyte)와 혈관이 없어지고 망막 신생혈관과 확산성 혈관이 새어 나와 질병이 진행됨에 따라 망막 두께의 감소와 망막 지속적 부종, 심지어 망막 이탈까지 관찰할 수 있다[2].

비고: RDDC 공식 홈페이지에서 사용자는 관심 질환 입력만으로 해당 동물 유전 모델을 찾을 수 있다.

유도모델-STZ유도

약물유도모델은 모델링이 간편하고 병리변경이 시뮬레이션이 강하다는 특징 때문에 현재 DR 상용 동물모델이 됐다. 약물유도형은 주로 streptozocin, STZ 및 alloxan, AXL 모델을 포함한다. STZ는 당뇨 유발에 가장 많이 쓰이는 약으로 주로 췌도 베타세포를 파괴해 고혈당을 유발한다. STZ 유도 당뇨병 Rat, 2~4 주 동안 BRB 파괴가 발생했고, 4~6 주 동안 신경교세포의 시들어가는 동시에 망막 외핵층 두께의 얇음과 신경세포의 감소와 함께 감광세포의 사망이 잇따르고 있다. 기저막의 두꺼움, 주피세포(pericyte)의 손실은 DR 의 기본 병리 변화이며, 주피세포와 내피세포의 구조와 기능의 무결성은 망막 모세혈관의 안정성을 유지하는 데 매우 중요한 역할을 한다. STZ 유도 당뇨병은 이러한 일련의 병리 변화를 일으킬 수 있으며, DR 초기 병리 변화의 이상적인 동물 모델이다.

연구에 따르면 STZ는 토끼에게 망막 출혈, 혈관 병변, 정맥 혈전 형성과 증식성 망막 병변을 유도할 수 있다. 원숭이에게 솜 반점과 고형광 반점이 있는 결혈성 망막 병변을 유도한다. 돼지의 망막 BRB 투과성이 증가하도록 유도하고, 커널층(inner nuclear layer, INL)과 신경절세포층(Ganglion cell layer, GCL)이 얇아지며 모세혈관 기저막이 두꺼워진다.

STZ유도동물모델에 의한 DR은 병리변화에 있어서 임상에서 흔히 볼 수 있는 DR병리특징을 비교적 잘 시뮬레이션할 수 있다. DR 발병 메커니즘 연구 및 치료에 대한 예측성을 제공하고 DR 연구에 광범위하게 적용할 수 있다 [3].

고지방 고당식이형

고지방 고당식이로 유발된 설치류 시각질환 동물 모델은 이미 50 년의 역사를 가지고 있다. 마우스는 고지 고당류 식사로 6주 동안 고혈당을 보이다가 15개월 후 망막내피세포 감소, 21개월 후 미세동맥류와 망막증후 병변을 관찰할 수 있다. 반면 고지혈증 고당 사료로 마우스를 먹인 지 4주 만에 마우스의 추상 세포(cone cell) 감광기는 빛에 대한 민감도가 떨어졌다. 그러나 이런 모델의 단점은 망막병변의 발달에 시간이 더 오래 걸리고 발병이 느리다는 것이지만 다른 모델의 마우스보다 오래 살아 더 오래 관찰할 수 있다는 장점이 있다. 이 때문에 현재 고지혈증과 고당류 음식을 STZ주사로 유도하는 DR모델이 많이 사용되고 있다. 고지 고당식을 통해 인슐린 저항을 유도한 뒤 저선량 STZ를 투여해 인슐린 기능을 손상시키고 혈당을 상승시켜 제2형 당뇨병의 발병 과정을 시뮬레이션한다. 연구에 따르면 이런 방법은 망막의 얇아지고 구조가 흐트러지며 혈관 내피 성장 인자의 발현이 높아진다. 따라서 단순히 고지혈증과 고당류 음식 유도 DR 동물 모델은 DR에 대한 장기 연구 관찰 및 약물 선별에 흔하며, 통상적인 실험 연구에서는 응용이 적다[4].

DR 모델과 발병 메커니즘 [5]

DM 마우스 모델

당뇨병(diabetes mellitus, DM)는 망막에 손상을 줘 DR을 일으킬 수 있다는 점에서 관련이 있다. DM 은 유전, 환경, 면역 등으로 인한 뚜렷한 이질성을 지닌 급성 만성 고혈당과 그 합병증으로 구성된 증후군이다. 현재는 암, 심혈관질환에 이어 3번째로 인간의 건강을 위협하는 주요 만성질환이 됐다. 미국당뇨병학회(ADA) 전문위원은 당뇨병을 1형당뇨병(T1DM), 2형당뇨병(T2DM), 기타 특수형당뇨병 및 임신당뇨병으로 분류했다. DM 동물모델은 DM 연구에 중요한 역할을 하며, 일반적으로 자발성, 유발성, 유전자공학적 당뇨병 동물모델로 나뉜다. Cyagen는 제2형 당뇨병 마우스(T2DM 마우스), 제1형 당뇨병 마우스(T1DM 마우스) 등 다양한 당뇨병 모델 및 표형 분석 서비스를 제공한다.

4. 안과 유전자 치료 CRO 개발 속도 올리기

안과질환 치료가 장기적으로 직면하고 있는 다각적 곤경을 해결하기 위해 Cyagen은 당뇨 망막 병변, 레버르 선천성 흑암시 2 형, 레버르 선천성 흑암시 10 형,색소성 망막염, 망막변성, 망막황반퇴화, 각막내피영양실조 등 안과질환은 일련의 유전자 편집 마우스 모델을 맞춤화하거나 공동 개발할 수 있다. 예를 들어 유전자 녹아웃, 유전자 녹인, 점 돌연변이, 인간화 마우스 모델 및 마우스 (mouse & Rat)수술 질병 모델을 통해 약효학 검증 실험의 진행을 가속화한다.

 동시에, 안과 유전자 치료 플랫폼의 적극적인 배치, 하이 엔드 정밀 작은 동물 안과 장비 및 수석 전문가를 지원, 임상 전 표준화 안과 유전자 치료 연구의 전반적인 서비스를 고객에 게 제공 하기 위해 최선을 다하고 있다.

RDDC는 희귀병 연구를 조력