Macropinocytosis-like endocytic mechanism contributes to the overall internalization of polyethyleneimine polyplexes used in nucleic acid delivery
본 연구는 선형 폴리에틸렌이민(LPEI) 폴리플렉스가 주로 막 주름 형성(membrane ruffling)을 특징으로 하는 디나민 의존적 비정형 마크로피노사이토시스 유사 기제를 통해 HeLa 세포 내로 유입되며, 이는 효율적인 핵산 전달을 촉진하기 위해 중첩된 엔도사이토시스 경로들과 함께 작동한다는 것을 밝혀냈다.
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생명을 구하는 유전적 지침을 인간 세포 안으로 전달하기 위해, 과학자들은 종종 폴리플렉스(polyplexes)라고 불리는 아주 작은 분자 패키지를 사용합니다. 이 패키지들은 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine)이라는 합성된 양전하 물질이 유전 코드 가닥을 감싸면서 형성되며, 세포 안으로 들어갈 수 있을 만큼 충분히 작은 압축된 단위를 만듭니다. 하지만 내부로 들어가는 것은 첫 번째 관문에 불과합니다. 치료가 효과를 거두려면 세포가 이 패키지를 능동적으로 삼켜야 합니다. 엔도사이토시스(endocytosis)라고 알려진 이 삼킴 과정은 단 하나의 단순한 문이 아니라, 서로 다른 진입 경로들로 이루어진 복잡한 네트워크입니다. 어떤 경로는 아이템을 잡기 위해 특정한 코팅된 구덩이(coated pits)를 사용하고, 다른 경로들은 세포막이 액체와 입자를 퍼 올리기 위해 손처럼 뻗어 나오는 방식에 의존합니다. 약물 운반체가 정확히 어떤 경로를 택하는지 이해하는 것은 매우 중요한데, 왜냐하면 그 선택한 경로가 화물을 성공적으로 전달할지, 아니-는 도중에 파괴될지를 결정하기 때문입니다.
최근 한 연구에서 연구진은 이 폴리플렉스가 인간 세포, 특히 실험실에서 자주 사용되는 유형의 세포주 속으로 어떻게 들어가는지 조사했습니다. 그들은 먼저 세포가 패키지를 삼키는 데 에너지가 필요한지 테스트했습니다. 연구진이 세포 활동이 거의 중단될 정도로 온도를 낮추었을 때, 폴리플렉스는 거의 들어가지 못했습니다. 마찬가지로, 세포의 에너지 생산 능력을 화학적으로 차단했을 때도 흡수율이 급격히 떨어졌습니다 입증되었습니다. 이는 이 과정이 입자들이 세포 안으로 수동적으로 떠다니는 것이 아니라, 에너지를 소모하는 능동적인 사건임을 확인해 주었습니다. 이어 연구팀은 알려진 특정 진입 경로들을 하나씩 차례대로 차단해 보았습니다. 그들은 코팅된 구덩이 메커니즘, 동굴 형태의 함입(cave-like invaginations), 그리고 액체를 퍼 올리는 메커니즘인 거포식작용(macropinocytosis)을 멈추기 위해 화학 물질을 사용했습니다. 놀랍게도, 이 경로들 중 어느 하나를 차단하더라도 폴리플렉스의 진입을 막지는 못했습니다. 세포는 일종의 백업 계획을 가지고 있는 듯 보였으며, 하나의 경로가 차단될 때마다 내부 기제를 다른 경로로 전환하여 패키지가 여전히 내부로 들어갈 수 있도록 했습니다.
세포 표면에서 정확히 어떤 일이 일어나고 있는지 보기 위해, 연구진은 일반적인 광학 현미경보다 훨씬 더 선명한 시야를 제공하는 강력한 전자 현미경을 활용했습니다. 그들은 폴리플렉스가 예상했던 것처럼 작고 깔끔한 구덩이에 자리 잡는 것이 아니라, 커다란 클러스터를 형성하며 세포막이 물결치듯 꿈틀거리며 그 위를 덮도록 유도한다는 것을 관찰했습니다. 이러한 물결 모양은 세포가 대량의 액체를 삼키는 과정인 거포식작용 중에 나타나는 세포막의 움직임과 매우 흡사했습니다. 그러나 연구진이 패키지를 삼킨 후의 내부 구조를 더 자세히 살펴보았을 때, 예상치 못한 사실을 발견했습니다. 폴리플렉스는 일반적인 거포식작용에서 나타나는 크고 불규칙한 거품 속에 갇혀 있는 것이 아니라, 더 작고 균일한 소낭(vesicles)에 싸여 있었습니다. 이는 세포가 일반적인 액체 흡수 방식보다 더 정밀하고 표적화된, 특수한 형태의 '러플링(ruffling, 물결치기)' 메커니즘을 사용하고 있음을 시사했습니다.
이 연구는 또한 이 독특한 진입 경로가 다이내민(dynamin)이라고 불리는 특정 분자 기계에 의존한다는 사실을 밝혀냈는데, 이 기계는 마치 분자 가위처럼 작동하여 세포막으로부터 새로운 소낭을 잘라내는 역할을 합니다. 연구진이 다이내민을 무력화하는 약물을 사용했을 때, 폴리플렉스의 흡수율은 거의 80%까지 급감했습니다. 이 발견은 매우 중요했는데, 세포가 다른 많은 차단된 경로들은 우회할 수 있었지만, 이 특정한 '조이는 동작'의 필요성은 우회할 수 없다는 점을 보여주었기 때문입니다. 연구진은 폴리플렉스가 거포식작용과 닮았지만 서로 다른 내부 규칙에 따라 작동하는, 뚜렷한 '러플 매개 메커니즘(ruffle-mediated mechanism)'을 통해 진입한다고 결론지었습니다. 이는 유연하고 에너지 의존적인 과정이며, 분자 가위가 제대로 작동하기만 한다면 세포가 이러한 유전적 운반체를 효율적으로 삼킬 수 있게 해줍니다. 이 발견은 유전 의약품을 체내로 전달하는 복잡한 물류 과정을 이해하는 데 도움을 주며, 향후 설계 시 이러한 러플링 메커니즘을 표적으로 삼아야 전달 효율을 높일 수 있음을 시사합니다.
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