1915년에 갑상선 조직에 요오드가 선택적으로 축적된다 는 사실이 밝혀졌고, 그 이후 갑상선 질환의 진단과 치료에 방사성요오드가 널리 이용되게 되었다. 갑상선 조직은 요오 드를 혈액에서부터 20~40배 정도 높은 농도로 축적한다. 약 60년 전부터 방사성요오드를 갑상선 기능을 측정하는 추적 자로 사용하였고, 곧이어 갑상선기능항진증과 갑상선암에서 I-131를 치료제로 사용하게 되었다.
그러나 갑상선 세포에 요오드가 선택적으로 섭취되는 기 전은 최근에야 밝혀졌다. 갑상선세포막에 sodium/iodide symporter (NIS)라는 운반체가 있어 요오드를 선택적으로 섭취하게 되고, 사람의 NIS 유전자는 1996년에 확인되었다 [1,2]. NIS 단백질은 세포막운반체로 13개의 도메인을 가지 고 있고, sodium-potassium ATPase에 의하여 생기는 나트 륨 이온의 세포막 안팎의 농도 차에 의하여 운반능이 발생 하고 유지된다.
최근에 분자생물학의 발달로 NIS 단백질의 여러 특성이 밝혀지고, NIS 유전자의 클로닝이 가능해짐에 따라, 요오드 섭취의 분자생물학적 기전이 밝혀지고 이를 이용한 기초 실 험을 임상의학으로 이행하려는 여러 가지 연구가 진행되고 있다[3]. 특히 갑상선질환의 응용에 국한하지 않고, NIS를 이용한 방사성핵종 유전자 치료법과 분자유전자 영상법 같 은 새로운 응용분야가 전개되고 있다.
1. 갑상선질환에서 NIS
정상 갑상선 세포에 존재하고 있는 NIS는 그레이브스병 에서는 수십 배 높게 발현된다. 자가면역성 갑상선염에서는 병리조직상 림프구 근처에 있는 갑상선 세포에서는 NIS의 발현이 증가되나, 림프구와 떨어져 있는 세포에서는 발현이 감소된다. 다발성 갑상선결절에서는 NIS의 발현이 불규칙하 고 때로 증식세포에만 국한되기도 한다. 갑상선종에서는 약
간의 세포에서만 발현된다. 이러한 모든 소견은 갑상선 신티 그라피의 소견과 일치된다. 갑상선암에서는 정상 세포보다 훨씬 적은 농도의 NIS 발현이 불규칙하게 나타난다. 그중 분화가 잘 된 갑상선암에서 NIS의 발현이 나타나고, 미분화 암이나 Hurthle 세포암에서는 전혀 발현되지 않는다.
우리 교실에서 25명의 갑상선 유두암 조직을 RT-PCR (real time-polymerase chain reaction)로 NIS 발현을 분석하 고, 병리학적 분화도와 비교하여 보았다. 갑상선 유두암 중에 서 상대적으로 분화가 잘 된 암종에서는 분화가 나쁜 암종보 다 NIS의 발현이 증가하였다. 반면에 포도당운반체인 Glut-1 유전자의 발현은 분화가 상대적으로 나쁜 갑상선암에서 증가 하였다. 즉 NIS의 발현과 포도당운반체 유전자의 발현은 역 상관관계가 있고 이들은 병리학적 분화도와 관계가 있었다 [4]. 이러한 소견은 갑상선암의 진단법 중 방사성요오드 전신 스캔이나 F-18 fluorodeoxyglucose (FDG) positron emission tomography (PET)사이의 선택기준이 된다. 또 이러한 소견 은 갑상선암에서 방사성요오드 스캔이 음성이면서 재발이 의 심될 때 FDG PET을 이용하는 이론적 근거가 된다[5].
NIS 발현의 측정은 치료에 있어서도 I-131 치료와 외과 적 수술과의 선택에 도움이 된다. 우리 교실에서 갑상선암 조직에서 면역염색법으로 NIS 단백질의 발현을 측정하고 재발암의 I-131 치료성적과 비교하여 보았다. 갑상선암에서 NIS의 발현이 양성이었던 환자에서는 80%에서 I-131 치료 효과가 나타났으나, NIS의 발현이 음성이었던 환자에서는 1/3에서만 치료효과가 있었다. 암세포가 NIS를 가지고 있는 경우에는 당연히 더 많은 양의 I-131이 섭취되고 따라서 방 사성요오드의 치료효과가 증가된다(Fig. 1)[6].
2. NIS를 이용한 방사성핵종 유전자 치료법
분화성 갑상선암의 1/3~1/2에서 방사성요오드가 섭취되Sodium/Iodide Symporter를 이용한 이행성 연구
서울대학교 의과대학 핵의학교실, 암연구소
정준기․강주현
Translational Research Using Sodium/Iodide Symporter
June-Key Chung, Joo Hyun Kang
Department of Nuclear Medicine, Cancer Research Institute, Seoul National University College of Medicine
지 않고, 미분화성 갑상선암의 대부분에서는 방사성요오드 의 섭취가 거의 나타나지 않는다. 이들 종양세포에 NIS가 없기 때문이고, 이러한 경우에 NIS로 유전자 치료를 하면, 다른 분화성 갑상선암과 마찬가지로 I-131 치료가 가능할 수 있다. 최근에 NIS유전자를 클로닝하고 그 특성을 분석한 여러 연구의 결과로 이러한 새로운 방사성핵종 유전자 치료 법의 가능성이 제시되었다.
암세포에 NIS 유전자를 주입하면 세포 내에서 전사 (transcription), 유전암호해독(translation)이 일어나고, 결국 엔 NIS 단백질이 만들어져 세포막에서 방사성요오드의 선 택적 유입이 가능하게 된다. 이러한 방사성핵종 유전자 치료 법은 갑상선암 뿐만 아니라 다른 종류의 암에서도 가능하다.
여러 연구자들이 유방암, 대장암, 흑색종, 전립선암 등 다양 한 암 종에서 이러한 방법을 시도하여, NIS 유전자 주입 후 수백 배까지 방사성요오드의 섭취가 증가된 것을 증명하였 다[7~10]. 몇몇 연구자들은 I-131로 치료효과가 있는 것도 증명하였다(Fig. 2)[11~13].
그러나 이러한 치료방법에는 몇 가지 문제점이 있다. 제
일 문제가 되는 것이 방사성요오드가 세포 밖으로 빠르게 유 출되는 것이다. 정상 갑상선세포에서는 갑상선과산화효소 (thyroperoxidase, TPO)에 의해서 일단 들어간 요오드가 갑 상선글로불린의 티로신에 결합되어 유출현상이 나타나지 않 는다. 따라서 이를 극복하는 방법으로 TPO 유전자를 같이 암세포에 주입하여 주는 방법이 있다. Huang 등은 NIS 유 전자와 TPO 유전자를 같이 폐암세포에 주입시켜 방사성요 오드 치료 후에 방사성요오드의 섭취와 저류가 증가되고 세 포파괴 효과가 증가되는 것을 보고하였다[14].
특정 조직에 선택적으로 작용하는 프로모터를 가진 NIS 유전자를 암세포에 주입하면 치료효과가 증가된다. 즉 조직 에 특이적인 세포파괴 효과는 증가되고, 정상 세포에서 부작 용은 감소시킬 수가 있다. Spitzweg 등은 이러한 방법을 이 용하여 전립선암의 특이적인 항원(PSA) 프로모터를 이용하 여 NIS 유전자가 전립선암에서만 선택적으로 작동하는 시 스템을 보고하였다. 이러한 모델의 동물실험에서 I-131 치료 후 대부분의 암이 파괴되는 것을 관찰하였다[15].
또 다른 치료방법은 I-131 대신 더 치료효과가 높으면서 NIS 운반체를 사용하는 Re-188, At-211 같은 방사성핵종을 사용하는 것이다[16]. 우리 교실에서도 Re-188이 I-131과 비슷하게 NIS 단백질에 의하여 암세포에 섭취되는 것을 발 견하였다[17]. Re-188은 I-131보다 여러 가지 물리적인 성 질이 우수하여 좋은 치료효과를 낸다. Re-188이 I-131보다 4.5배의 높은 방사선치료 효과를 낸다고 보고되어 있다[18].
방사성핵종 유전자치료법에서 retinoic acid를 병용 치료 하거나, p53 유전자를 같이 주입하는 방법도 시도되고 있다.
Retinoic acid는 NIS 유전자의 발현을 증진시켜, retinoic acid 처리 후 암세포에서 방사성요오드의 섭취를 6~7배 증 가시킨다[19]. 또한 p53 유전자는 암세포 파괴능을 증가시 켜 방사성요오드 유전자 치료법의 효과를 증진시킬 수가 있 다[20].
방사성핵종 유전자치료법은 아직도 초기단계이지만, 앞서 기술한 여러 가지 방법을 병합하여 그 치료 효과를 증진시 킬 수가 있어 새로운 치료법으로 대두될 가능성이 있다.
3. NIS를 이용한 영상리포터 유전자
영상리포터 유전자(imaging reporter gene)법은 살아있는 동물에서 목적 유전자를 주입하였을 때, 그 유전자의 발현장 소, 발현기간, 발현정도를 영상화하는 방법이다. 영상리포터 유전자의 개념은 15년 전부터 시작되었고, 지금까지는 PET 를 이용한 영상 유전자가 보고되었다. 전통적인 유전자로 HSV1-tk, D2R 등이 사용되고 있으나 이들은 값비싼 PET 시스템을 사용하고 방사성의약품도 합성이 어려운 단점이 있 다[21]. 우리 교실을 비롯하여 몇몇의 연구자들은 NIS 유전 자를 새로운 영상리포터 유전자로 사용할 수 있음을 보고하 Fig. 1. Comparison of I-131 therapy result according
to NIS expression in tumor tissue.
Fig. 2. Survival rate of human hepatoma cells (SK-Hep-1) and NIS transfected hepatoma cells (SK-Hep-1-NIS) after incubation with I-131 and Re-188.
P < 0.005 P < 0.005 P = 0.04
였다[9]. NIS 유전자 시스템은 여러 가지 장점을 가지고 있 다. 첫째, 영상기구는 일반 핵의학과에서 보유하고 있는 감마 카메라를 사용한다. 둘째로 방사성의약품은 방사성요오드나 Tc-99m으로 값싸게 어디서나 얻을 수 있고 대사과정이 잘 밝혀져 있다. 또한 방사성요오드나 Tc-99m은 세포의 정상 생리학적 대사에 영향을 주지 않는다. 따라서 NIS 유전자 시 스템으로 영상리포터 유전자의 사용을 쉽게 확대할 수 있다.
영상리포터 유전자는 여러 세포 내 분자유전자 현상을 영 상화한다. 우선 외인성 또는 내인성 유전자의 발현을 영상화 할 수 있다. 치료용 외인성 유전자와 NIS 유전자를 결합시켜 목표 장기에 주입하면, 치료용 유전자가 발현하는 것을 NIS 유전자의 발현으로 간접적으로 영상화 할 수 있다. 즉 목표 장기에서 방사성요오드나 Tc-99m이 선택적으로 축적되는지 를 영상화한다. 내인성 유전자의 발현을 보기 위해서는 “cis 리포터 유전자 시스템”을 사용한다. 이 방법에서는 NIS 유전 자의 프로모터에 특정한 내인성 유전자의 단백질이 전사인자 (transcription factor)로 결합하는 장소를 만든다. 우리가 측 정하고자 하는 어떤 내인성 유전자가 세포 내에서 발현되면 이 프로모터를 활성화하고, 연이어 NIS 유전자의 전사가 일 어난다. 결국 세포 내의 방사성요오드나 Tc-99m이 선택적으 로 축적되면 이는 NIS 유전자가 특정 프로모터에 의해서 작 동되었음을 의미하고, 이는 다시 특정 내인성 유전자가 발현 되었음을 뜻한다. 우리 교실에서는 이러한 방법으로 p53 내 인성 유전자의 발현을 영상화하였다(Fig. 3)[22].
영상리포터 유전자는 세포 내의 여러 분자유전학적 현상 을 영상화하는데 사용한다. 대표적인 예로 우리 교실에서는 세포핵 내 retinoic acid 수용체의 활성도를 영상화하였다.
NIS 영상유전자의 프로모터에 retinoic acid 수용체 결합부 위를 만든 후, 이 DNA 구조물을 암세포에 주입하였다. 암 세포를 retinoic acid로 처리되어 수용체가 활성화되면, NIS 유전자의 전사가 활성화되어 세포 내의 방사성요오드 섭취 가 증가된다[23].
이외에도 영상리포터유전자는 암세포, 면역세포, 줄기세 포의 생체 내 분포를 영상화할 수 있다. NIS 유전자를 암세 포에 주입하여 발현시키면, 암세포가 섭취하는 방사성요오 드나 Tc-99m의 양으로 암세포의 숫자를 정확하게 산출할 수 있다. 동물모델에서 이러한 암조직에서의 방사성핵종 양 과 암의 무게와 상관관계가 있는 것을 증명하였다. 즉 동물 모델에서 암의 증식 정도나 치료 후 암세포의 감소를 영상 리포터 유전자로 정확하게 모니터할 수가 있다[24]. 이러한 방법으로 면역세포나 줄기세포의 생체 내 분포를 영상화하 고 정량화할 수 있다. 특히 줄기세포 치료에서 표적세포로의 분화를 적절한 프로모터를 이용한 NIS 유전자로 영상화 할 수도 있다[25].
결 론
갑상선질환에서 NIS 유전자와 NIS 단백질의 측정은 각 Fig. 3. Tc-99m Scintigraphy in a nude mouse bearing human hepatoma
(SK-Hep1) and hepatomas containing p53NIS (SK-Hep1p53NIS) before and after adriamycin treatment. Before adriamycin treatment, there was no uptake of Tc-99m in the control tumor (A) and faint uptake in test tumors (B-D) due to natural expression of endogenous p53. After adriamycin treatment, increased uptake of Tc-99m was noted in test tumors (B-D) due to increased expression of endogenous p53 gene without any change in the control tumor (A).
A, 1 × 107 SK-Hep1 cells (negatve control); B, 5 × 106 SK-Hep1-p53NIS cells; C, 1 × 107 SK-Hep1-p53NIS cells; D, 2 × 107 SK-Hep1-p53NIS cells.
종 질환의 분자생물학적 이상을 분석하는데 유용하게 사용 할 수 있다. 특히 갑상선암에서 이들을 측정하여 FDG PET 과 방사성요오드 전신스캔, I-131 치료와 외과적 수술의 선 택에 유용하게 이용할 수 있다. NIS 유전자의 클로닝과 특 성분석으로 방사성핵종 유전자치료와 영상리포터 유전자 시 스템이라는 새로운 분야를 개척하고 있다. 방사성핵종 유전 자치료에 나타나는 몇 가지 문제점은 TPO 유전자 주입, p53 유전자 주입, retinoic acid 치료, 표적유전자 치료, 새로 운 치료용 방사성핵종의 이용 등 여러 가지 병합치료를 이 용하여 극복할 수가 있다. NIS 유전자 영상리포터 법으로 외인성 및 내인성 유전자의 발현, 세포핵 내 수용체 활성, 생체 내 표적세포의 분포 등 여러 분자유전학적 현상을 영 상화 할 수 있다. 기존의 방법에 NIS 유전자를 이용하면, 손 쉽게 이러한 분야를 확대할 수 있다. 장차 NIS 유전자의 이 러한 이행성 연구로 각종 질환의 영상과 치료에 새로운 방 법을 개발하여 임상 이용으로 연결될 수 있다.
참 고 문 헌
1. Vieja ADL, Dohan O, Levy O, Carrasco N: Molecular analysis of the sodium/iodide symporter: impact on thyroid and extrathyroid pathophysiology. Physiol Rev 80:1083-1105, 2000
2. Dai G, Levy O, Carrasco N: Cloning and characterization of the thyroid iodide transporter.
Nature 379:458-460, 1996
3. Caillou B, Troalen F, Baudin E, Talbot M, Filetti S, Schlumberger M, Bidart JM: Na+/I- symporter distribution in human thyroid tissues: an immunohisto- chemical study. J Clin Endocrinol Metab 83:4102- 4106, 1998
4. Kim S, Chung JK, Shin JH, Min MS, Kang JH, So Y, Lee DS, Park SH, Lee MC: Expression pattern of N-Ras oncogene, glucose transporter-1 gene and thyroid specific genes in papillary thyroid carcinoma.
J Nucl Med 44(abstr):41, 2003
5. Chung JK, So Y, Lee JS, Choi CW, Lim SM, Hong SW, Youn YK, Lee MC, Cho BY: Value of FDG PET in papillary thyroid carcinoma with negative 131I whole-body scan. J Nucl Med 40:986-992, 1999 6. Min JJ, Chung JK, Lee YJ, Jeong JM, Lee DS, Jang
JJ, Lee MC, Cho BY: Relationship between expression of the sodium/iodide symporter and 131I uptake in recurrent lesions of differentiated thyroid carcinoma. Eur J Nucl Med 28:639-645, 2001 7. Haberkorn U, Heze M, altmann A, Jhiang S, Morr I,
Magmut M, Peschke P, Kubler W, Debus J, Eisenhut M: Transfer of the human NaI symporter gene enhances iodide uptake in hepatoma cells. J Nucl Med 42:317-325, 2001
8. Lee YJ, Chung JK, Shin JH, Kang JH, Jeong JM, Lee DS, Lee MC: In vitro and in vivo properties of a human anaplastic thyroid carcinoma cell line transfected with the sodium iodide symporter gene.
Thyroid 14:889-895, 2004
9. Shin JH, Chung JK, Kang JH, Lee YJ, Kim KI, Kim CW, Jeong JM, Lee DS, Lee MC: Feasibility of sodium/iodide symporter gene as a new imaging reporter gene: comparison with HSV1-tk. Eur J Nucl Med Mol Imaging 31:425-432, 2004
10. Kang JH, Chung JK, Lee YJ, Shin JH, Jeong JM, Lee DS, Lee MC: Establishment of human hepatoma cell line, highly expressing sodium-iodide symporter for radionuclide gene therapy. J Nucl Med 45:1571-1576, 2004
11. Mandell RB, Mandell LZ, Link CJ Jr: Radioisotope concentrator gene therapy using the soidum/iodide symporter gene. Cancer Res 59:661-668, 1999 12. Boland A, Ricard M, Opolon P, Bidart JM, Yeh P,
Filetti S, Schlumberger M, Perricaudet M:
Adenovirus-mediated transfer of the thyroid sodium/
iodide symporter gene into tumors for a targeted radiotherapy. Cancer Res 60:3484-3492, 2000 13. Cho JY, Shen DH, Yang W, Williams B, Buckwalter
TL, La Perle KM, Hinkle G, Pozderac R, Nagaraja R, Barth RE, Jhiang SM: In vivo imaging and radioiodine therapy following sodium iodide symporter gene transfer in animal model of intracerebral glioma.
Gene Ther 9:1139-1145, 2002
14. Huang M, Batra RK, Kogai T, Lin YQ, Hershman JM, Lichtenstein A, Sharma S, Zhu LX, Brant GA, Dubinett SM: Ectopic expression of the thyro- peroxidase gene augment radioiodide uptake and retention mediaed by the sodium iodide symporter in non-small cell lung cancer. Cancer Gene Ther 8:612- 618, 2001
15. Spitzweg C, O'cnnor MK, Bergert ER, Tindall DJ, Young CY, Morris JC: Treatment of prostate cancer by radioiodine therapy after tissue-specific expression of the sodiym iodide symporter. Cancer Res 60:6526- 6530, 2000
16. Snade JV, Massart C, Beauwens R, Schoutens A,
Costagliola S, Dumont JE, Wolff J: Anion selectivity by the sodium iodide symporter. Endocrinology 144:247-252, 2003
17. Jeong JM, Chung JK: Therapy with 188Re-labeled radiopharmaceuticals: an overview of promising results from initial clinical trials. Cancer Biother Radiopharm 18:707-717, 2003
18. Dadachova E, Bouzahzah B, Zuckier LS, Pestell RG:
Rhenium-188 as an alternative to Iodine-131 for treatment of breast tumors expressing the sodium/iodide symporter (NIS). Nucl Med Biol 29:13- 18, 2002
19. Jeong HJ, Chung JK, Lee YJ, Shin JH, Yeo JS, Lee DS, Lee MC: All-trans-retinoic acid enhances expression of transfected sodium/iodide sympoter gene in thyroid cancer cells more than in non-thyroid cancer cells. J Nucl Med 43(abstr):133, 2002 20. Lee YJ, Chung JK, Kang JH, Shin JH, Kim KI, Oh
HJ, Kim YH, So Y, Jeong JM, Lee DS, Lee MC: p53 gene enhanced the effect of radionuclide gene therapy using NIS. Mol Imaging 2(abstr):241, 2003
21. Gambhir SS, Barrio JR, Phelps ME, Iyer M, Namavari M, Sayamurthy N, Wu L, Green LA, Bauer E,
MacLaren DC, Nguyen K, Berk AJ, Cherry SR, Hershman HR: Imaging adenoviral-directed reporter gene expression in living animals with positron emission tomography. Proc Nat1 Acad Sci USA 96:
2333-2338, 1999
22. Kim KI, Chung JK, Kang JH, Lee YJ, Shin JH, Oh HJ, Jeong JM, Lee DS, Lee MC: Visualization of endogenous p53-mediated transcription in vivo using sodium iodide symporter. Clin Cancer Res 11:123- 128, 2005
23. So MK, Kang JH, Chung JK, Lee YJ, Shin JH, Kim KI, Jeong JM, Lee DS, Lee MC: In vivo imaging of retinoic acid receptor activity using a sodium/iodide symporter and luciferase dual imaging reporter gene.
Mol Imaging 3:163-171, 2004
24. Shin JH, Chung JK, Kang JH, Lee YJ, Kim KI, So Y, Jeong JM, Lee DS, Lee MC: Noninvasive imaging for monitoring of viable cancer cells using a dual-imaging reporter gene. J Nucl Med 45: 2109-2115, 2004 25. Shin JH, Chung JK, Roh JK, Lee YJ, Kang JH, Lee
DS, Kim KI, Kim MK, Kim DE, Jeong JM, Lee MC:
Monitoring of neural stem cell using sodium/iodide symporter gene. J Nucl Med 43(abstr):238, 2002
