Lipidomics 분석을 통한 질병 모니터링
Lipid란?
Lipid는 다양한 소분자 그룹으로, Glycerolipids, sterol lipids, sphingolipids, phospholipids 등 수천가지의 개별 lipid가 존재하며 각각은 화학적으로 독특하고 다양한 생물학적 기능을 갖고 있습니다.
지질은 세포막의 기질을 형성함으로써 다양한 필수 기능을 지원하고, 에너지 저장, 호르몬, 필수영양소 또는 세포신호 분자로서의 역할도 하므로 점점 각 지질 분자와 관련된 기능에 대한 탐구가 중요하게 여겨지고 있습니다.
지질은 세포막의 기질을 형성함으로써 다양한 필수 기능을 지원하고, 에너지 저장, 호르몬, 필수영양소 또는 세포신호 분자로서의 역할도 하므로 점점 각 지질 분자와 관련된 기능에 대한 탐구가 중요하게 여겨지고 있습니다.
Lipid 대사체 확인을 통한 질병 규명
인간에게는 건강 및 질병과 관련된 2000여 가지 이상의 다양한 지질이 있습니다.
유전자, 단백질 및 대사 산물과의 분자 상호 작용은 우리의 웰빙에 영향을 미칩니다. 이 상호 작용은 이러한 지질 각각의 세포 공급에 의해 크게 영향을 받습니다.
건강이란 모든 지질이 완벽하게 균형을 이루고 있음을 의미합니다. 각 세포는 이 목표를 달성하기 위해 지속적으로 지질 대사를 조정해야 합니다. 불규칙한 지질 대사는 건강과 생명에 직접적인 위협이 됩니다.
지질대사체는 비만, 당뇨병, 심혈관 및 신경퇴행성 질환등의 다양한 연구에서 정상그룹과 다른 대사결과를 보여줍니다. 따라서 질병과 지질대사간의 상관관계를 규명하고, 질병을 초기에 진단할 수 있는 바이오마커의 개발을 위해, lipid의 대사체를 정량하고 분석하는 연구가 중요해지고 있습니다. 또한 수만 명의 참가자가 참여하는 연구에서 질병 기전 또는 유전형과 표현형 간의 관계를 밝히는 데 있어서도 강력한 툴이 되고 있습니다.
Lipidomics 분석 적용 사례
Lipidomics(지질체학)은 세포, 조직, 생체액의 전체적인 지질 변화를 확인하여, 건강한 상태와 질병 상태에서 발생하는 대사 변화를 비교함으로써 질병에 대한 치료 전후의 마커로서 이용될 수 있습니다.
ANOREXIA, REFEEDING & LIPID METABOLISM (섭식장애 확인)
거식증 환자의 만성 영양실조로 인한 신진대사의 변화를 plasma lipidome 분석을 통해 정상그룹과 비교함으로써 대사의 이상을 확인합니다.
Plasma lipid profile은 최근 대사 건강의 지표로 등장했습니다. 예를 들어, 짧은 포화 triacylglycerol의 농도 증가는 제2형 당뇨병 위험과 관련이 있습니다. 제2형 당뇨병이 있는 비만 환자에서 Ceramide 수치가 상승합니다. Plasma lipidome과 machine learning 알고리즘을 결합하면 대사 비만 상태를 예측할 수 있습니다.
Plasma lipidome 분석은 치료전, 치료중, 치료후에 거식증 환자의 대사 건강에 대한 insight를 제공합니다.
INSULIN SENSITIVITY & CIRCADIAN LIPID METABOLISM (인슐린 감수성 확인)
당뇨병은 혈당 조절, 즉 인슐린을 통해 혈액 내 포도당 농도를 조절하는 능력의 상실을 특징으로 하는 일련의 대사 장애입니다. 혈당 조절은 인슐린에 대한 신체의 반응성 측정인 인슐린 민감도를 통해 부분적으로 모니터링할 수 있습니다.
제1형 당뇨병에서 췌장은 인슐린 생산을 중단합니다. 이 상태를 인슐린 결핍이라고 합니다. 제2형 당뇨병에서는 신체 조직이 인슐린에 대한 반응을 멈춥니다. 이 상태를 인슐린 저항성이라고 합니다. 지질 대사와 관련될 수 있는 인슐린 감수성은 제2형 당뇨병에서 감소하므로 질병 발병의 조기 표지가 될 수 있습니다.
현재 연구에 따르면 지질학 분석은 대사비만과 같은 지질대사 기능장애를 기존 측정 기준보다 더 정확하게 분류할 수 있다고 제안합니다. 최근 독일 연구팀에서는 인슐린 감수성에 촛점을 맞춰 식사시간과 구성이 지질 대사와 혈당 조절에 미치는 영향을 조사하기 위해 plasma lipidomics를 진행하였습니다.
14개의 lipid class에서 672개의 서로 다른 lipid species를 확인하였고, 그중 233개가 모든 샘플의 70% 이상에서 확인되었습니다. 233개의 지질중 1.3%는 식사 구성에 영향을 받았고, 55.4%는 시간과 영양 성분 모두에 영향을 받았습니다. 이러한 발견은 지질대사가 식사 시간과 구성에 의해 조절된다는 것을 나타냅니다.
BREAST CANCER AND PHOSPHOLIPID METABOLISM (유방암과 인지질 대사)
삼중음성유방암 (TNBC, Triple negative breast cancer)은 다른 유방암에 비해 예후가 좋지 않은 암 유형으로, 에스트로겐, 프로게스테론, HER2 단백질 수용체를 표적으로 하는 약물에 반응하지 않기 때문에 새로운 치료 접근방식이 필요합니다.
지질 대사, 특히 인지질대사에 대한 지질분석을 통해 종양의 대사 이상을 발견하여 새로운 치료 기회를 개발할 수 있습니다.
암은 빠른 증식을 위해 다량의 membrane을 생합성하며, 이때 인지질 및 지방산과 같은 지질을 필요로 합니다. 지방산은 미세종양환경(TME)에서 얻게 되고, 인지질은 lipin-1 효소에 의해 생합성이 촉진됩니다.
Lipin-1을 코딩하는 유전자인 LPIN1의 과발현을 조정함으로써 이 효소가 인지질 대사에 어떤 영향을 미치는지 규명하고, 인지질 대사를 표적으로 하는 약물과 치료방법을 찾는데 도움이 될수 있습니다.
LIPID PROFILES OF NEURONS AND GLIA CELLS (신경세포와 교세포의 지질 프로파일)
포유류의 뇌는 두번째로 지질이 풍부한 기관입니다. 모든 포유류 lipid species의 75%가 신경 조직에서만 발견됩니다. 신경 세포의 핵심 구성 요소인 지질은 인간의 뇌, 뇌의 질병 및 정신 장애를 더 잘 이해하기 위한 노력에 중요한 정보를 담고 있습니다. 따라서 신경세포의 상세한 분자 지질 분석은 지질 구성 및 지질 대사에 대한 세포 유형 분석 평가에 적합한 도구입니다.
중추신경계와 말초신경계는 전기적으로 흥분되는 신경세포 (뉴런)과 전기 자극은 생성하지 않지만 중요한 자원을 제공하는 아교세포(glial cell)로 구성됩니다. 중추신경계의 아교세포에는 희돌기교세포 (oligodendrocytes), 성상교세포 (astrocytes), 미소교세포 (microglia)가 있으며, 각각 myelin 생성, 신경전달물질 재활용-시냅스회로 형성-혈뇌장벽유지, 면역반응-뇌항상성의 역할을 합니다.
마우스뇌의 lipidomics 분석을 통해 신경, 희돌기세포, 성상교세포, 미소교세포로부터 23개의 lipid class가 분석되었고 약 750개의 개별 lipid가 확인 및 정량화 되었습니다. 이들 중 13개의 lipid class가 모든 정량화된 지질의 99% 이상을 구성했습니다. Phosphatidylcholine과 cholesterol은 가장 흔한 지질 class이지만 세포유형 별로 lipid profile에 큰 차이를 보여주었습니다.
VARIABILITY OF SKIN LIPIDOMICS PROFILES (피부 지질학 프로파일의 다양성)
피부 지질 구성은 피부 건강에 영향을 미치며 지질학을 통해 연구할 수 있지만 성별, 연령 및 샘플 깊이가 데이터에 영향을 미칩니다.
인간의 피부의 최상층인 각질층은 지질이 풍부한 세포외 기질에 박힌 각질세포 (keratinocyte) sheet로 구성됩니다. 피부의 분자 구성, 특히 lipid profile은 최근 피부 기능을 규명하는 자료로 주목을 받았습니다.
피부 리피돔에서 가장 풍부한 지질은 ceramide, cholesterol, free fatty acids 입니다. Triglycerides, diglycerides, cholesteryl esters 도 피부에서 흔히 발견됩니다. 피부의 lipid profile은 물과 전해질에 대한 투과성을 조절합니다. lipidome은 피부에 긍정적인 skin microbiome의 선택에도 도움이 됩니다.
지방산에 부착된 sphingoid 염기로 구성된 ceramide 지질은 피부의 수분을 유지하는데 중요합니다. 피부에 있는 12개의 ceramide 하위 class의 양은 지성, 건성 피부 상태와 관련이 있습니다. 따라서 ceramide는 피부 수분 연구에 있어 중요합니다.
특정 그룹의 피부 샘플에서 lipid profile을 진행함으로써 피부 깊이, 개인별, 개인간 skin lipidome의 변화를 측정한 결과, 지질의 구성과 양, 조성은 피부 깊이(skin depth)와 관련이 있음을 확인하였습니다.
EXOSOME CHARACTERIZATION FOR TARGETED DRUG DELIVERY (약물전달을 위한 엑소좀 특성화)
엑소좀 (exosome)은 세포의 지질막에서 추출한 나노미터 크기의 입자로 인체의 세포와 기관 사이의 통신에 필수적인 역할을 합니다. 이 입자는 운반할 물질을 둘러싸고 있는 지질 껍질로 구성되어 있으며, 이는 신체의 특정 부위로 전달되어 수용 세포의 기능을 변경합니다. 엑소좀 매개 커뮤니케이션은 면역반응, 암 및 신경퇴행과 관련이 있습니다.
최근 엑소좀은 표적 약물 전달을 연구하는 과학자들의 관심을 끌고 있습니다. 잠재적인 약물 전달 수단으로서 엑소좀은 핵산, 단백질 및 기타 생체 분자를 운반할 수 있으며, 특정 세포에 치료물질을 전달할 수 있습니다. 지질 껍질과 원형질막이 융합된 후 엑소좀은 전달물질을 수용세포로 직접 전달하기 때문에 약물 전달에 있어 강력한 장벽인 세포의 원형질막을 우회합니다.
Roche 연구팀은 우유의 엑소좀이 표적 약물 전달을 위한 효과적인 매개체가 될수 있다는 가설을 세우고, 젖소에서 엑소좀을 추출하여 단백질과 지질 구성의 특성을 확인하고, 신경 세포에 풍부하고 알츠하이머 및 파킨슨 병과 관련된 타우 단백질인 MAPT 유전자의 신경 단백질 발현을 억제하는 치료용 anti-sense RNA를 엑소좀에 로딩후 배양 세포와 마우스 모델에 도입하였습니다.
세포배양에서는 로딩된 엑소좀 용량과 비례하게 MAPT 단백질의 발현이 감소되었으나 마우스에서는 MAPT의 발현을 변화시키지 않았고 엑소좀은 두 시스템 모두에서 독성이 없었습니다. 치료제로서, 또 무독성 약물 매개체로서의 효과는 볼수 있었으나 치료효과가 낮아, 향후 엑소좀 전달과 기능향상을 위한 좀더 유의미한 연구들이 진행되어야 할 것입니다.
MULTIOMICS IN CARDIOVASCULAR DISEASE RESEARCH (심장질환에서의 멀티오믹스)
유전체학 및 지질학과 같은 오믹스 과학은 생물학과 의학을 예방의 차원으로 패러다임 전환을 이끌고 있으며, 특히 심혈관 질환 연구에서 주요한 역할을 합니다.
유전학(Genetics)이 한 유전자의 구성과 기능에 촛점을 맞추는 반면, 유전체학(Genomics)은 모든 유전자, 게놈 및 이들의 총체적인 상호 관계를 다룹니다. 유전자 시스템 생물학은 genome mapping 및 편집 데이터를 제공하고 구조 및 기능 관계를 조명하며, 진화 과정에 대한 통찰력을 제공합니다.
유전체학과 유사하게 지질학(lipidomics)은 생물학적 시스템에서 지질과 지질 대사 산물을 연구합니다. 수천개의 화학적으로 다른 지질 분자를 대상으로 하는 lipidomics는 에너지 저장, 호르몬 및 신호전달 분자역할 부터 세포막 형성에 이르기까지 지질의 다양한 생물학적 기능을 밝힙니다. 유전체학의 sequencing DNA와 마찬가지로 지질의 omics는 세포 및 체액의 지질 구성을 분석합니다.
비만 유병률 증가는 심혈관 건강 악화와 관련이 있다는 연구 결과에 따라, 비정상적인 혈장
지질 수준은 심혈관 질환의 위험 인자로 확립되었습니다. 또한 심혈관 질환의 위험은 유전되는 것으로 알려져 있어 사람의 DNA와 관련이 있기 때문에, 유전적인 조절을 이해하면 심혈관 질환의 예측 및 치료를 위한 도구 개발에 도움이 될수 있습니다.
SNP 기반 유전율 계산 결과는 지질 종류에 따라 상당한 차이가 있음을 보여줍니다. 예를 들어 ceramide lipid (CER)이 phosphatidylinositol lipids (PI)보다 더 강한 정도로 유전되는 것으로 연구되었고, 다중 불포화 지방산을 함유한 지질 (특히, 4개, 5개 또는 6개의 이중결합이 있는 20개 이상의 탄소원자 사슬을 가진 지질)은 다른 지질 종보다 유전율이 훨씬 더 높았습니다.
Lipotype에서 제공하는 Lipid 분석서비스는,
- 66개 class, 4200개 이상의 개별 lipid등 분석범위가 넓습니다.
- 세포 구성성분, 박테리아, 효모, 기타 미생물에서부터 배양세포, 피부, 생체액, 혈액, plasma, 조직, 간, 뇌와 같은 장기에 이르기까지 광범위한 샘플로부터 분석이 가능합니다.
- 샘플 추출과 처리는 자동화 기기를 통해서 진행되고, 최첨단 질량분석기를 이용하여 하루에 수백개의 샘플을 분석합니다.
- GMP 인증을 받은 시설에서 분석이 진행되며, lipid class별로 internal standard를 이용하므로, 신뢰도 있는 결과를 제공합니다.
- 지질분석 데이터 (모든 샘플에 대한 pmol 및 mol% 데이터)와 수치가 포함된 보고서를 제공해 드리면, 직접 LipotypeZoom을 이용하여 맞춤형 그래프와 히트맵, 주성분 분석 플롯을 만들고 다운로드할 수 있습니다. 또한 코흐트비교, 상관관계 분석 및 경로 분석, 생물학적 해석을 제공함으로써 샘플을 이해하는데 도움을 드립니다.
- 분자생물학, 생물통계학, 의사, 생화학, 질량분석 전문가, 생물정보학 전문가, Lipidomics 데이터 과학자로 구성된 Lipotype팀을 통해 샘플 준비에서 결과 해석까지 정확한 지원을 받으실 수 있습니다.
분석가능한 Lipid 카테고리 및 종류
1. Fatty Acyl
Fatty acyl은 carboxyl기가 있는 탄화수소 (hydrocarbon) 사슬로 구성된 유사한 분자 구조를 특징으로 합니다. carboxyl기는 다양한 범위의 치환기에 연결될 수 있으며 hydrocarbon chain은 이중결합을 포함하고 추가 치환기를 특징으로 하며 길이가 가변될 수 있습니다.
Fatty acyl은 모든 살아있는 유기체에 공통적으로 존재하며, 유기체의 유형에 따라 조성이 크게 달라집니다.
Fatty acyl중, Fatty acid(지방산)은 가장 대표적인 그룹으로 지질을 구성하는 주요 블록으로, 세포 에너지의 주요 연료 역할을 합니다. Fatty amide (지방아미드)는 주로 신호 전달 기능과 관련되어 있습니다. Fatty ester (지방산 에스테르)는 저장 화합물 및 신호 전달에서 지방산의 산화대사에 이르기까지 많은 역할을 합니다.
Octadecanoids, eicosanoids, docosanoids등의 그룹을 oxylipin (옥시리핀) 이라고 합니다. 이들은 염증, 산화 스트레스 및 면역 체계에 관여합니다.
2. Glycerolipid
Glycerolipid (글리세로지질)은 3개의 hydroxy기가 있는 단순한 화합물인 glycerol 백본으로 구성됩니다. hydroxyl기 중 하나는 fatty acid 또는 fatty alcohol에 ester나 ether로 연결되어 있습니다. 나머지 2개는 당 또는 추가 fatty acid와 같은 추가 치환기를 특징을 합니다.
Glycerolipid는 모든 살아있는 유기체에 공통적으로 존재하며, glycerol ester는 가장 대표적인 타입으로 식물, 동물, 곰팡이의 에너지 저장 또는 세포 신호 전달의 메신저 역할을 합니다.
Glycoglycerolipid는 식물과 박테리아의 중요한 막 구성요소이며 식물의 엽록체와 박테리아의 광합성에 필수적입니다. Glycerol ester는 archaea의 막성분에 필수요소이며, 일부 해양동물에도 존재합니다.
3. Phospholipid
Phospholipid (인지질)은 인산화된 "head" 그룹에 연결된 glycerol 백본으로 구성됩니다. 인지질은 1-2개의 ester 또는 ether 결합 fatty acid 또는 fatty alcohol을 추가로 함유합니다.
Ester phospholipid는 가장 많이 조사된 인지질에 속하며 생물학적 막의 주요 구성요소로 많은 세포 기능을 조절합니다.
Ether phospholipid는 생물학적 막의 생물 물리학적 특성에 영향을 미치고 일부는 혈소판 응집과 같은 추가 기능을 합니다.
CDP-Glycerol은 인지질 뿐 아니라 glycerolipid에서도 biosynthetic branch point을 갖습니다.
Diphosphatidylglycerol은 독특한 타입의 인지질로, 세포 에너지 생성과 관련된 막의 구조적 요소입니다.
4. Sphingolipids
Sphingolipid는 "long-chain base"라고 하는 hydrocarbon chain에 연결된 ceramide backbone으로 구성됩니다. 다양한 head 부분이 ceramide 골격과 2개의 fatty acid에 연결될 수 있습니다.
Sphingolipid는 모든 동식물에 존재하며 일부 균류 및 박테리아에서 발견될 수 있으며 주로 세포막의 기능적 구성요소 입니다. Ceramide는 비교적 단순한 구조를 특징으로 하는 그룹으로 생합성 전구체 역할을 하며 피부의 중요한 구성성분입니다.
Gangliosides, cerebrosides, sulfoglycosphingolipids는 모두 일종의 sugar head group으로 신경계에서 중요합니다.
globosides와 diglycosylceramides는 면역계에서 중요한 역할을 합니다.
5. Sterol Lipids
Sterol Lipid는 연결된 4개의 hydrocarbon ring으로 구성됩니다.
Ergosterol lipids는 콜레스테롤 지질에 대웅하는 식물 및 균류입니다. Steroid는 많은 스테롤 지질 기반 호르몬을 포함하고, secosteroid에는 뼈 형성에 중요한 다양한 종류의 비타민 D가 함유되어 있습니다. Bile acid는 동물의 콜레스테롤 지질의 최종 산물이며 지방 소화에 중요한 기능을 합니다.
6. Prenol Lipids
모든 살아있는 유기체에서 확인되며 유기체의 유형에 따라 Prenol 지질 조성은 크게 다릅니다. isoprenoids가 프레놀 지질의 대부분을 차지하며 sterol 지질과 hopanoids의 합성에서 전구체 및 중간체, 식물의 성장호르몬 및 색소로 작용하며, 향료와 같은 의료 및 산업 응용분야에서 널리 사용됩니다. Quinone은 isoprenoids로서 똑같이 다양한 기능을 수행합니다. ATP, 세포 에너지를 합성하고 산화 손상으로부터 보호하는데 도움이 되는 다양한 과정의 전자 수송에서 membrane protein 간의 전자 운반체 역할을 합니다.
Lipid 분석 서비스 문의 : 고마바이오텍(주) (02-579-8787)