김순하

LG 생명과학shakim@lgls.com

1 분 자 세 포 생 물 학 뉴 스 레 터

특별기고

Danger Theory: The Status Quo- Necrotic Inflammation

위험이론 (Danger Theory)이세상에발표된지도벌써20

년의 세월이 지났다. 그 동안 이 이론을 바탕으로 한 수 많은

결과가발표되었고현재에도다양한연구가진행중에있다. 최

근 발표된 위험 이론을 재조명하는 두 편의 논문 1), 2)을 참조하

여위험이론의탄생배경과위험/손상신호 (danger/damage

signal), 세포사멸, 염증, 질환, 그리고이의임상적의미를되

짚어보고, 신규의약품으로서세포괴사저해제의가능성을기

술하고자한다.

First, do no harm - Hippocrates

Of all the mysteries in modern science, the mechanism of

self versus nonself recognition in the immune system ranks

at or near the top - D.E. Koshlands Jr. (1273)

DANGER THEORY

Self-non-self (SNS)는지난60년동안면역학을관통해온

대표적인 핵심 이론이다 3), 4). 면역계가 자기 (self)와 비자기

(non-self)를구분할수있다는이이론은여러가지내재적문

제점들이 있음에도 불구하고 오랫동안 많은 면역 현상들을 이

해하는데 광범위하게 적용되어 왔다. 그러나 다수의 면역학자

들에의해서체계적으로수립되어온당대최고의이면역학이

론은한젊은여성과학자에의해심각한도전을받게된다.

면역학계의 이단아로 불리는 Polly Matzinger는 매우 독특

한 삶의 이력들 -바텐더, 목수, 재즈 음악가, 플레이보이 바니

걸, 개조련사-을거쳐과학의길에들어선인물로, SNS 이론

의한계를뛰어넘는위험이론 (danger theory)을제시하 다5), 6). 위험이론의핵심은, 면역반응은세포에의해방출되는위

험 신호 (danger signal) 또는 경고 신호 (alarm signal)에 의

1) Pradeu T. and Cooper E.L. (2012) The danger theory: 20 years later. Frontiers in Immunology. 3:287

2) Land W.G. and Messmer K. (2012) The danger theory in view of the injury hypothesis. Frontiers in Inflammation. 3:249.

3) Burnet, F.M. (1969). Cellular Immunology: Self and Nonself. Cambridge: Cambridge University Press.

4) Burnet F.M. and Fenner F. (1949) The Production of Antibodies, 2nd Edn. Melbourne. Macmillan.

5) Matzinger P. (2002). The Danger model: a renewed sense of self. Science. 296, 303-305.

6) Matzinger P. (1994). Tolerance, danger, and the extended family. Annu. Rev. Immunol. 12, 991-1045.

웹진 3월 2013 2

해 유발된다는 것이다 (Table 1). self 또는 non-self의 구분

(discrimination)이면역반응을결정한다는기존의이론에대

해서 Matzinger는“The foreignness of a pathogen is not

the important feature that triggers a response, and self-

ness is no guarantee of tolerance”라고반박하고있다.

위험 이론은 한때 코페르니쿠스의 지동설에 비견되는 혁신

적인이론으로여러과학저널과인쇄매체로부터엄청난관심

을받았으며, 또한이와동시에위험한이론으로많은의구심을

불러일으키기도하 다. 위험이론이등장한지 20년의세월이

지난 지금은 면역학 분야의 핵심적인 이론으로 원시면역

(innate immunity), 암, 이식, 외부 물질에 대한 관용 (toler-

ance to foreign entities), 염증반응 (inflammation) 등의면

역현상을가장간결하고명쾌하게설명하는데사용되고있다.

DANGER SIGNAL AND NECROTIC CELL DEATH

Matzinger의위험이론에서면역반응은세포가방출하는위

험신호에의해시작되는데 (Figure 1), 여기서 "위험 (danger)"

이라는개념보다조직의"손상 (damage)"이라는개념을도입하

면 훨씬 간결하고 실험적으로 증명하기가 쉽다. 실제로

Matzinger와 그 동료들은 "danger", "damage", "stress",

"injury", "necrosis" 그리고 "inappropiate (non-physiologi-

cal) cell death)" 등의여러가지용어를동일한의미로사용하

고있다. 이러한위험또는손상은외인성(exogenous: foreign

& nonself) 신호가 아니라 내재적 (endogenous: damage &

self)인 것으로서, 스트레스나 상해, 그리고 괴사 (necrosis) 등

의위험한상황에처한세포가방출하는신호이며, 따라서체내

방어 기전인 자연사 (apoptosis, programmed cell death)로

죽는세포들은위험신호를방출하지않는다.

마우스 실험에서 괴사로 죽은 세포들은 apoptosis로 사멸한

세포들에비해수지상세포(dendritic cell)를훨씬강력하게활

성화시켰으며 7), human 실험에서도수지상세포가이두가지

형태의 세포 사멸을 정확히 구분하여 괴사성 종양세포

(necrotic tumor cell)를 인지하는 경우에만 면역성 초기화에

필요한 결정적인 신호를 제공하는 것으로 보고되었다 8). 또 다

른 보고에 의하면 괴사성 세포 (necrotic cell)만이 HSP (heat

shock protein)를방출하여수지상세포를활성화시킨다 9). 이

러한 연구 결과들은 apoptosis와 대비되게 괴사 (necrosis)는

Matzinger의위험이론에서제시하고있는 "danger signal"을

강력하게방출하는세포사멸이라할수있다.

7) Galluchi S., Lolkeman M., and Matzinger P. (1999). Natural Adjuvants: endogenous activators of dendritic cells. Nat. Med. 5, 1249-1255.

8) Sauter B. et al., (2000). Consequences of cell death: exposure to necrotic tumor cells, but not primary tissue cells or apoptotic cells, induces the matura-

tion of immunostimulatory dendritic cells. J. Exp. Med. 191, 423-434.

9) Basu S. et al., (2000) Necrotic but not apoptotic cell death release heat shock proteins, which deliver a partial maturation signal to dendritic cells and acti-

vate th NF-kappa N pathway. Int. Immunol. 12, 1539-1546.

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3 분 자 세 포 생 물 학 뉴 스 레 터

세포가 괴사에 의해 사멸되면 원형질막 (plasma mem-

brane) 원형의손실이유도되고, 결과적으로세포내의내용물

즉, 이전에는면역수용체로부터멀리숨겨져있던지역에존재

하던 DAMP (damage-associated molecular pattern)를 세

포 밖으로 방출하게 된다. 이렇게 방출된 DAMP 물질로 인해

원시면역체계는괴사를위험한세포사멸로인식하며염증반

응을촉진한다10), 11).

최근에uric acid 12), HMGB1 13),14),15),16) inflammasome 17),18),19)

외에도 IL-1α, S100 proteins, hepatoma-derived growth

factor (11), ATP 20),21), IL-33 22), 그리고F-actin 23) 등이

DAMP 물질로확인되었다.

10) Kono H. and Roc K.L. (2008) How dying cells alert the immune system to danger. Nat. Rev. Immunol. 8, 279-289.

11) Bianchi M.E. (2007). DAMPs, PAMPs and alarmins: all we need know about danger, J. Leukoc. Biol. 81, 1-5.

12) Shi Y. et al. (2003) Molecular identification od a danger signal that alerts the immune system to dying cells. Nature 425, 516-521.

13) Scaffidi P et al. (2002). Release of chromatin protein HMGB1 by necrotic cells triggers inflammation. Nature 418, 191-195.

14) Bianchi M.E. and Manfredi A.A. (2009). Dangers Ins and Out. Nature, 323, 1683-1684.

15) Rovere-Querini P. et al. (2004) HMGB1 is an endogenous immune adjuvant released by necrotic cells. EMBO. 5, 825-830.

16) Castiglioni A. et al. (2011). High-mobility group box?1 (HMGB1) as a master regulator of innate immunity. Cell Tissue Res. 343, 189-199.

17) Pedra J.H. et al. (2009). Sensing pathogens and danger signals by the inflammasome. Curr. Opin. Immunol. 21, 10-16.

18) Chen G.Y. and Nunez G. (2010). Sterile inflammation: sensing and reaching to damage. Nat. Rev. Immunol. 10, 826-837.

19) Schroder K. et al. (2010) The NLRP3 inflammasome: a sensor for metabolic danger? Science 327, 296-300.

20) Mariathasan S. et al. (2006). Cryopyrin activates the inflammasome in response to toxins and ATP. Nature 440, 228-232.

21) Riteau et al. (2010) Extracellular ATP is a danger signal activating P2X7 receptor in lung inflammation and fibrosis. Am. J. Respir. Cirt. Care Med. 182, 774-

783.

22) Bonillar W.V. et al. (2012) The alarmin interleukin-33 drives protective antiviral CD8+ T cell responses. Science 335, 984-989.

23) Ahrens S et al. (2012). F-Actin is an evolutionarily conserved damage-associated molecular pattern recognized by DNGR-1, a receptor for dead cells.

Immunity 36, 636-645.

NECROTIC CELL DEATH AND INFLAM-MATION

괴사는병적인상태에서손상된세포, 조직및장기에관찰되

는형태학적특징을지닌세포사멸의한유형으로이미기원전

부터의학서에기술되어있다. 괴사는주로세포구성성분의비

조절적분해 (digestion)를일으키는외부요소인감염 (infec-

tion), 독소 (toxin), 외상 (trauma), 물리적 손상, 혈관 손상,

허혈 (ischemia), 그리고열효과 (thermal effect) 등에의해서

주로유도된다. 따라서체내방어기전인자연사(apoptosis)와

는 달리 병적인 상황에서 유도되는 세포의 사고사이기 때문에

생명체에대하여매우위험하며치명적인요인이라할수있다.

괴사는 이를 촉진시키는 자극물질에 따라 크게 (1)

ligand/cytokine-induced necrosis (programmed necrosis

또는necroptosis), (2) pathogen-induced necrosis (pyrop-

tosis), (3) PAMP-induced necrosis, 그리고 (4) physico-

chemical stress-mediated necrosis (a typical necrosis)의

네가지유형으로분류되며, 여러괴사촉발자 (necrotic trig-

ger)와그조절기전은Figure 2에요약되어있다24). 본란에서

주로 논하고자 하는 세포의 괴사는, 기존에 잘 연구되어 있는

세포사멸의형태들인① ligand/cytokine 유도성신호에의한

"유전자재프로그래밍 (gene reprogramming)"의결과로나타

나는caspase-mediated apoptosis, ②apoptosis의하위신호

전달 과정의 결함으로 발생되는 RIP1/RIP3-mediated pro-

grammed necrosis (necroptosis), 그리고③ apoptotic body

가면역계에의해서충분히제거되지못할때유도되는2차괴

사(secondary necrosis)와는전혀다른, 여러물리화학적스트

레스요인에주로기인하는특징적인세포사멸의한종류이다.

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Figure 2. Overview of different necrotic triggers and regulatory mechanisms. Necrosis can be elicited by a wide rangeof stimuli. (a) Necroptosis induced by DR (TNFR1, TRAIL-R or Fas) stimulation (b) TLR3 and TLR4 triggering inducenecroptosis through RIPK1 and RIPK3-mediated signaling. (c) Physico-chemical stress-mediated necrotic cell death.(d) NLR stimulation can induce necrosis depending on the cellular context.

24) Vanlangenakker N. (2012) Many stimuli pull the necrotic trigger. Cell Death Differ. 19, 75-86

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5 분 자 세 포 생 물 학 뉴 스 레 터

괴사는세포의원형화(rounding), 세포부피의증가(onco-

sis), 원형질막파괴등의형태학적특징을나타내는데, 원형질

막의파손에의해결과적으로세포내용물인DAMP가비조절

적으로방출되어여러주변조직에염증을유발시킨다. 지금까

지의많은연구결과들은괴사와염증과의 접한상호관련성

을 잘 설명하고 있는데, 외부 병원균의 PAMP (pathogen

associated molecular pattern)에의한염증반응과는구분된

다. 이미 세포 손상에 의해 방출되는 DAMP에 의한 non-

infectious sterile inflammation 25),26)에 대한 많은 연구가 진

행되어다양한종류의sterile stimuli가밝혀졌으며(Table 2),

특히 강력한 염증성 인자인 HMGB (high mobility group

box)-1에 대한 연구가 가장 활발히 진행되었다. 최근의 여러

연구결과들은괴사성세포손상 (necrotic cell injury)이퇴행

성 뇌질환 27)과 동맥경화 28)의 발병에 직간접적으로 관련되어

있다고보고하고있다.

HMGB-1 AS A NEW THERAPEUTIC TARGET

HMGB-1은40여년전에DNA 결합단백질로발견된이후

핵내에서는DNA chaperon 역할이주로연구되었으나, 최근

에는 세포질 내에서 다양한 신호조절 기능을 하는 궁극적인

utility player로 알려져 있다 29). 최근의 연구들은 방출된

HMGB-1이 "염증성사이토카인 (inflammatory cytokine)"의

기능을 한다는 획기적인 사실을 보고하고 있다 30),31),32). 이는

Matzinger가위험이론에서예측하 던“위험신호”로서의대

표적인DAMP 물질인HMGB-1이다양한염증반응과질환에

Table 2. Sterile stimuli

웹진 3월 2013 6

직접적으로관여할수있다는결정적인단서가된다. 더욱놀라

운 사실은 HMGB-1이 자신의 내적 수용체인 RAGE 외에도

PAMP 수용체로서 LPS가 직접 결합하는 것으로 널리 알려진

Toll-like receptor (TLR)에직접적으로결합하여작용한다는

사실이다 33),34),35). 이는세포손상에의해방출되는DAMP 물질

이, 외부감염시에원시면역계를활성화시키기위한방어기전

으로 사용되는 PAMP 수용체와 결합하여 염증을 유발시킬 수

있다는새로운사실을보여주고있다. 또한HMGB-1은흥미롭

게도혈중에서여러물질들과항상결합체를이루고이로인해

서반감기가길어짐에따라"vicious cycle"을형성하여보다증

폭된염증반응을유도할수있다36).

강력한 염증성 인자인 HMGB-1이 패혈증, 출혈성 쇼크

(hemorrhagic shock), 외상 (trauma), 급성 관상동맥 증후군

(acute coronary syndrome), 뇌혈관허혈(cerebral vascular

ischemia), 급성폐손상 (acute lung injury), HIV 감염, 그리

고급성췌장염 (acute pancreatitis) 등의여러질환들과 접

하게 연관되어 있다는 사실은, 여러 약리 동물 모델들과 임상

환자들을 대상으로 한 연구에서 잘 밝혀져 있다 37). 지금까지

HMGB-1과 관련되어 발표된 많은 연구 결과들은 Matzinger

이론의위험신호인DAMP를차단하는약제개발의필요성과

시급성을시사한다. 최근들어HMGB-1을표적하는약제의개

발이 활발히 이루어지고 있으며 38), 기본 전략은 Figure 3 (C)

에나타나있다.

25) Rock K.L. et al. (2010) The sterile inflammatory response. Ann. Rev. Immunol. 28, 321-342.

26) Chen G. and Nunez G. (2010) Sterile inflammation: sensing and reacting to damage.

27) Challa C. and Chan F.K-M. (2010). Going up with flames: necrotic cell injury and inflammatory diseases. Cell. Mol. Life Science 67, 3241-3253.

28) Pugin J. (2012). How tissue injury alarms the immune system and causes a systemic inflammatory response syndrome. Ann. Intensive Care. 2, 27-32.

29) Malllarkey C.S. and Churchill M.E.A. (2012) The high mobility group box: the ultimate utility player of a cell. Trends in Biochemical Science 37, 553-562.

30) Wang H. et al. (1999). HMG-1 as a late mediator of endotoxin lethality in mice. Science 85, 248-251.

31) Andersson U. et al. (2002). HMGB1 as a DNA-binding cytokine. J. Leukoc. Biol. 72, 1084-1091.

32) Klune, J.R. et al. (2008). HMGB1: Endogenous Danger Signaling. Mol. Med. 14, 476?484.

33) Park J.S. et al. (2004) Involvement of Toll-like receptors 2 and 4 in cellular activation by high mobility group box 1 protein. J. Biol. Chem. 279, 7370-7377.

34) Park J.S. et al. (2006) High mobility group box 1 protein interact with multiple Toll-like receptors. Am J. Physiol. Cell Physiol. 290, C917-C924.

35) Ivanov S. (2007) A novel role for HMGB1 in TLR9-mediated inflammatory responses to CpG-DNA Blood 110, 1970-1981

36) Bianchi M.E (2009). HMGB1 loves company. J Leukoc Biol. 86, 573-576.

37) Fink M.P. ((2007) Bench-to-bedside review: High-mobility group box 1 and critical illness. Critical Care 11, 229-236.

38) Giard J.P. (2007). A direct inhibitor of HMGB1 cytokine. Chemistry & Biology 14, 345-347.

Figure. 3. Chromatin-Associated Cytokine HMGB1 andStrategies to Inhibit its Proinflammatory Activities. (A)HMGB1 and IL-33 are abundant chromatin-associat-ed nuclear factors that possess potent proinflamma-tory cytokine activities. (B) Human HGMB1. The twoDNA-binding HMG boxes (A and B boxes) and theacidic C terminus are indicated. (c) Strategies forHMGB1 inhibition. Small-molecule inhibitors includethe cytokine release inhibitory drugs (CRIDs) and thedirect inhibitor glycyrrhizin. Biological agents includeanti-HMGB1 antibodies and the recombinant A boxpeptide antagonist. Glycyrrhizin and the biologicscan inhibit HMGB1 released by both activatedmacrophages and necrotic cells. In contrast, HMGB1CRIDs only block the release of HMGB1 from activat-ed monocytes/macrophages.

특별기고

다양한위험신호를받은세포는 (1) 면역세포로부터의능동

적분비(active secretion)와 (2) 괴사상태에있는모든세포로

부터의 수동적 방출 (passive release)이라는 두 가지 과정을

통하여여러DAMP 물질들을배출하여염증반응을촉진시킨

다 (Figure 3). 이러한 과정을 제어하기위해 많은 연구자들이

다양한전략과접근방법들-면역세포에의한염증성사이토카

인의 생성 억제, HMGB-1 항체의 개발, HMGB-1 peptide

antagonist 개발-을 통해 약물 개발을 시도하고 있으나 아직

까지임상에적용가능한약제는없는실정이다.

CONCLUDING REMARKS AND PER-SPECTIVES

상기에 기술한 바와 같이 Matzinger의 위험 이론은 세포나

조직의손상에의해서방출되는“위험신호”에의해서면역반

응이 개시되어 궁극적으로 강력한 염증을 유도하는 것을 핵심

으로하고있다. 이러한관점에서세포의괴사에의해세포밖

으로방출되는DAMP 물질들은이러한위험이론을실험적으

로뒷받침할수있는세포손상을알리는가장강력한위험신

호라할수있다.

혈관의 장애 (occlusion)로 인한 허혈 및 재관류 손상

(ischmia & reperfusion injury)은주로세포의괴사를 일으키

며, 심장, 뇌, 간, 그리고피부등의조직이나장기의여러부위

에서 염증으로 인한 기능이상 (dysfunction)을 유발하고 심근

경색 (myocardial infarction), 뇌졸중 (stroke) 등의 원인이

된다. 이외에도 괴사가 직접적인 병리기전으로 작용하는 질환

으로는급성췌장염 (acute pancreatitis), 급성폐손상 (acute

lung injury), 급성 세뇨관 괴사 (acute tubular necrosis,

ATN), 급성망막성괴사(acute retina necrosis) 및괴사성소

장 결장염 (necrotizing enterocolitis), 그리고 비혈관 괴사

(avascular necrosis, osteonecrosis) 등이알려져있다.

세포괴사가여러질환의발병에매우중요한원인임에도불

구하고, 아직까지세포괴사의발병에직접적으로관여하는분

자타겟이나신호전달기전및병리기전은거의밝혀지지않고

있는데, 이는괴사가일어나는과정이수시간내에급속히전

개되어기전연구자체를수행하는데어려움이있기때문이다.

다른 한편으로는 지난 수십 년에 걸쳐 이루어진 apoptosis 분

야에대한막대한연구투자가역설적으로세포괴사에대한기

전연구를소홀히하게된측면도간과할수없다. 이러한이유

등으로 현재까지 세포의 괴사를 근본적으로 막아주는 괴사 저

해제의개발은거의이루어지지못하고있다.

LG 생명과학에서는수년간의기능-기반 (function-based)

연구를 통하여 세계 최초로 괴사 저해제 (necrosis inhibitor)

인 NecroX-7을 개발했으며 39),40),41),42),43),44),45), 작년 10월에

KFDA로부터임상시험승인을받은데이어, 12월에범부처전

주기 임상과제로 선정되어 현재 심근경색 적응증을 위한 임상

1상을진행중에있다. 2014년상반기중실시예정인심근경색

에대한임상2상시험은세계최초로괴사저해제의효능을입

증하기 위한 임상시험으로 그 임상적 의미가 매우 크다 할 수

있다. 괴사가주요병리기전인치명적재관류손상에의한심

7 분 자 세 포 생 물 학 뉴 스 레 터

39) Kim H J. et al. (2012) A novel small molecule, NecroX-7, inhibits osteoclast differentiation by suppressing NF-κB activity and c-Fos expression. Life Sci.

91, 928-934.

40) Park J.H. et al. (2012) An indole-derivative protects against acetaminophen-induced liver injury directly binding to N-acetyl-pbenzoquinone imine in

mice. Antioxidant Redox Signaling. (Pubmedaheadofprint)

41) Park J.H. et al. (2012). NecroX-7 prevents oxidative stress-induced cardiomyopathy by inhibition of NADPH oxidase activity. Toxicology and Applied

Pharmacology. 263, 1-6.

42) Thu V.T. et al. (2012) NecroX-5 preventshypoxia/reoxygenationinjury byinhibiting the mitochondrial calcium uniporter. Cardiovascular Research. 94, 342-

350.

43) Lee DW et al. (2011) Creation of myocardial fibrosis by transplantation of fibroblasts primed with survival factors. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 301,

H1004-1014.

44) Kim H.J. et al. (2010) NecroX as a novel mitochondrial ROS and ONOO- scavenger. Archives Pharmacal Research 33, 1813-1823.

45) Choi J.M. (2010). Preventive effect of NecroX-7 on hepatic ischaemia and reperfusion injury in beagle dogs. Transplantation Proceedings. 42, 3414-3421

근세포의 괴사를 근원적으로 차단하는 약제의 개발은 향후 많

은심근경색환자들의고통을줄여줄수있을것으로기대된다.

NecroX-7은 기능을 기반으로 개발된 약제이기 때문에 뇌졸

중, 췌장염등괴사관련질환들로의적응증확장이가능하므로

신약개발분야에서새로운패러다임을제시하고있다.

DAMP 억제제를개발하기위한전략의일환으로괴사된세

포로부터 방출된 DAMP 물질인 HMGB-1, IL-1α, IL-1β,

ATP, 그리고uric acid crystal 등의분자를직접또는간접적

으로제어하는약물의개발이활발히이루어지고있다. 이러한

방법과는 차별화되는 전략으로 DAMP 물질의 방출을 원천적

으로억제할수있는즉, 괴사에의한세포사멸을차단할수있

는 괴사 저해제의 개발 (Figure 4)과 이를 이용한 임상시험은

약물개발에있어서혁신적인시도라할수있다. 특히이러한

시도는 Matzinger 위험 이론에서 면역 반응의 출발점이 되는

위험 신호인 DAMP를 대량으로 방출하는 세포의 괴사 및 그

향을여러동물실험과임상시험을통하여검증하는것으로

서학문적인의미또한매우크다하겠다.

웹진 3월 2013 8

저|자|약|력

*저자 약력

1980 - 1984 연세대학교생화학과, 이학학사

1984 - 1986 연세대학교생화학과, 이학석사

1989 - 1995 LG 생명과학선임연구원

1995 - 1998 서울대학교의과대학병리학교실, 면역학박사

1999 - 2004 The Scripps Research Institute,

박사 후연구원

2004 - 현재 LG 생명과학책임연구원

김 순하 (연구책임자)

Figure. 4. Figure 4. Intervention strategy against danger signal