엑소좀(Exosome)이란? 종류와 성분, 제품 분류와 제형, 선택 기준까지 총정리
엑소좀(Exosome)이란?
세포와 세포는 어떻게 대화할까요. 오랫동안 답은 호르몬이나 신경전달물질 같은 분자 하나 단위의 신호라고 여겨졌습니다. 그런데 1980년대 이후 연구가 쌓이면서, 세포가 훨씬 복잡한 방식으로 소통한다는 사실이 드러났습니다. 단백질과 지질, 유전물질을 한꺼번에 담은 작은 주머니를 만들어 내보낸다는 것입니다.
이 주머니가 바로 엑소좀(exosome)입니다.
엑소좀의 정의
엑소좀은 세포가 분비하는 지름 약 30~150nm 크기의 세포외소포(extracellular vesicle, EV)입니다.
1nm는 10억분의 1m입니다. 사람 머리카락 굵기가 약 8만~10만nm이니, 엑소좀은 머리카락 단면에 수백 개가 들어갈 만한 크기입니다. 일반 광학현미경으로는 관찰할 수 없고 전자현미경이 필요합니다.
구조는 단순하지만 중요합니다. 엑소좀은 인지질 이중층(phospholipid bilayer)으로 둘러싸여 있습니다. 세포막과 같은 구조입니다. 그 안쪽에 단백질과 지질, RNA 같은 물질이 담겨 있습니다.
이 구조가 핵심인 이유는 두 가지입니다. 첫째, 막이 내용물을 외부 환경으로부터 보호합니다. 둘째, 세포막과 같은 재질이기 때문에 다른 세포와 융합하기 쉽습니다. 내용물을 안전하게 운반하고 전달할 수 있는 구조라는 뜻입니다.
엑소좀은 어떻게 만들어지는가
엑소좀을 다른 소포와 구분 짓는 가장 중요한 기준은 크기가 아니라 생성 경로입니다.
엔도좀 경로(endosomal pathway)
첫 번째 단계는 세포막 함입입니다. 세포막 일부가 안쪽으로 오목하게 들어가면서 떨어져 나와 작은 주머니를 만듭니다. 이것이 초기 엔도좀(early endosome)입니다.
두 번째 단계에서 초기 엔도좀이 성숙하면서 후기 엔도좀(late endosome)이 됩니다.
세 번째 단계는 다낭체 형성입니다. 후기 엔도좀의 막이 다시 안쪽으로 함입되면서, 주머니 안에 더 작은 주머니들이 생깁니다. 이 작은 주머니를 관내소포(intraluminal vesicle, ILV)라 하고, 이것들을 품은 구조를 다낭체(multivesicular body, MVB)라고 부릅니다.
마지막 단계는 방출입니다. 다낭체가 세포막과 융합하면 안에 있던 관내소포들이 세포 밖으로 나옵니다. 이때 방출된 것이 엑소좀입니다.
정리하면 엑소좀은 세포 안에서 두 번 접혀 만들어진 뒤 밖으로 나온 소포입니다. 이 경로 때문에 엑소좀의 막 방향은 원래 세포막과 같은 배열을 유지합니다.
화물 선별 기전
어떤 물질이 엑소좀 안에 담기는지는 무작위가 아닙니다. ESCRT(endosomal sorting complex required for transport)라는 단백질 복합체가 화물 선별에 관여합니다. ESCRT에 의존하지 않는 경로도 있는데, 세라마이드나 테트라스파닌(tetraspanin) 단백질이 관여하는 방식이 대표적입니다.
즉 엑소좀의 내용물은 세포가 선택적으로 담은 결과물입니다. 이 점이 엑소좀을 단순한 세포 부산물이 아니라 신호 전달 매개체로 보게 만든 근거입니다.
세포외소포의 분류
세포가 내보내는 소포에는 여러 종류가 있습니다. 흔히 세 가지로 나눕니다.
엑소좀은 약 30~150nm 크기로, 앞서 설명한 엔도좀 경로를 거쳐 다낭체에서 유래합니다.
미세소포(microvesicle)는 약 100~1,000nm 크기이며, 엔도좀을 거치지 않고 세포막에서 직접 출아하듯 떨어져 나옵니다.
세포자멸체(apoptotic body)는 약 1,000~5,000nm로 가장 크며, 세포가 사멸하는 과정에서 형성됩니다.
용어에 관한 주의점
여기서 전문가들이 신중하게 다루는 지점이 있습니다. 실제로 시료에서 소포를 분리하면 크기와 밀도가 비슷한 여러 종류가 섞여 나옵니다. 분리된 소포가 정말 엔도좀 경로에서 왔는지 입증하려면 생성 과정을 추적해야 하는데, 일반적인 분리 공정에서는 이를 확인하기 어렵습니다.
그래서 국제세포외소포학회(ISEV)는 MISEV 가이드라인을 통해, 생성 경로가 입증되지 않은 경우 엑소좀 대신 세포외소포(EV) 또는 소형 세포외소포(small EV, sEV)라는 용어를 쓰도록 권고하고 있습니다.
산업 현장에서는 관행적으로 엑소좀이라는 표현이 널리 쓰이지만, 학술적으로는 더 엄밀한 용어 구분이 존재한다는 점을 알아두면 자료를 읽을 때 도움이 됩니다.
엑소좀 안에는 무엇이 들어 있는가
엑소좀의 내용물은 유래 세포의 종류와 상태에 따라 달라집니다. 크게 세 범주로 나뉩니다.
단백질
테트라스파닌 계열인 CD9, CD63, CD81이 대표적입니다. 이들은 엑소좀 표면에 풍부해서 엑소좀을 식별하는 표지자(marker)로 널리 쓰입니다. 생성 경로에 관여하는 ALIX와 TSG101 같은 단백질도 함께 실리며 역시 표지자로 활용됩니다. 열충격단백질인 HSP70과 HSP90도 확인됩니다.
품질 검증 시에는 이런 양성 표지자와 함께, 세포 소기관에서 유래한 오염을 확인하기 위한 음성 표지자도 검사합니다. 칼넥신이나 GM130이 여기에 해당합니다.
지질
콜레스테롤, 스핑고미엘린, 세라마이드, 포스파티딜세린 등이 포함됩니다. 엑소좀 막은 일반 세포막보다 이런 지질의 비율이 높은 편이며, 이것이 구조적 안정성에 기여합니다.
핵산
mRNA와 마이크로RNA(miRNA), 긴 비암호화 RNA, DNA 조각 등이 확인됩니다. 핵산이 포함된다는 사실은 엑소좀 연구의 전환점이 된 발견이었습니다. 이 부분은 뒤에서 다시 다루겠습니다.
엑소좀은 어떻게 작용하는가
엑소좀이 다른 세포에 도달했을 때 일어나는 일은 크게 세 갈래입니다.
첫째는 막 융합입니다. 엑소좀 막이 표적 세포막과 직접 합쳐지면서 내용물이 세포 안으로 전달됩니다.
둘째는 세포내이입(endocytosis)입니다. 표적 세포가 엑소좀을 통째로 감싸 안으로 들입니다. 클라스린 매개, 카베올린 매개, 대음세포작용(macropinocytosis) 등 여러 방식이 알려져 있습니다.
셋째는 수용체 결합입니다. 엑소좀 표면 분자가 표적 세포의 수용체와 결합해, 안으로 들어가지 않고도 신호를 전달합니다.
여기서 주목할 점은 표적 선택성입니다. 엑소좀 표면의 단백질 조성에 따라 특정 세포에 더 잘 결합하는 경향이 관찰됩니다. 이 특성 때문에 엑소좀은 약물 전달체 연구에서 큰 관심을 받고 있습니다.
엑소좀 연구의 역사
엑소좀에 대한 이해가 어떻게 바뀌어 왔는지 보면 이 분야의 현재 위치를 가늠할 수 있습니다.
1983년, 망상적혈구가 적혈구로 성숙하는 과정에서 소포를 방출한다는 사실이 두 연구팀에 의해 각각 보고되었습니다. 당시에는 세포가 불필요한 물질을 버리는 과정으로 해석되었습니다.
1987년에는 로즈 존스턴(Rose Johnstone) 연구팀이 이 소포에 exosome이라는 이름을 붙였습니다.
1996년, B림프구에서 유래한 소포가 면역 항원을 제시할 수 있다는 연구가 발표되었습니다. 단순한 노폐물이 아니라 생물학적 기능을 가진다는 첫 근거였습니다.
2007년은 전환점이었습니다. 엑소좀 안에 mRNA와 miRNA가 들어 있으며 이것이 다른 세포로 전달되어 실제로 기능할 수 있다는 연구가 발표되었습니다. 이 시점부터 엑소좀은 세포 간 정보 전달 매개체로 재정의되었고 연구가 급격히 늘어났습니다.
2010년대 이후로는 질병 진단 지표, 약물 전달체, 치료제 후보, 화장품 원료 등으로 연구 범위가 넓어졌습니다.
유래에 따른 엑소좀의 종류
엑소좀은 세포를 가진 생명체라면 대부분 만들어냅니다. 유래에 따라 특성이 달라집니다.
인체 세포 유래 엑소좀은 줄기세포나 섬유아세포 등에서 얻습니다. 연구가 가장 활발한 분야이며 의약품 개발의 주요 대상입니다.
식물 유래 엑소좀은 생강, 포도, 자몽, 인삼 등에서 분리됩니다. 동물 세포와 생성 경로가 다르기 때문에 학술 문헌에서는 식물 유래 엑소좀 유사 나노입자(plant-derived exosome-like nanoparticle, PDEN)라는 용어를 더 정확한 표현으로 씁니다. 인지질 조성이 동물 유래와 달라 포스파티드산의 비율이 높은 것이 특징입니다.
우유 유래 엑소좀은 대량 확보가 상대적으로 용이하다는 장점이 있습니다.
미생물 유래의 경우, 세균이 방출하는 소포는 외막소포(outer membrane vesicle, OMV)라고 부릅니다. 유산균 등에서 유래한 소포가 연구되고 있습니다.
엑소좀은 어떻게 분리하고 확인하는가
엑소좀은 눈에 보이지 않고 크기도 비슷한 물질과 섞여 있어서, 분리와 검증이 곧 품질입니다.
주요 분리 방법
초원심분리는 무게 차이로 침전시키는 오래된 표준 방식입니다. 시간이 오래 걸린다는 단점이 있습니다.
밀도구배 원심분리는 밀도 차이로 층을 나누는 방식으로 순도가 높지만 회수량이 적습니다.
크기배제 크로마토그래피(SEC)는 크기 차이로 분리하며 구조 손상이 적은 편입니다.
한외여과와 접선흐름여과(TFF)는 막으로 걸러내는 방식이라 대량 처리에 유리합니다.
면역친화 포집은 표면 항원에 결합시키는 방식으로 특정 소포만 선택할 수 있습니다.
고분자 침전은 시약으로 응집시키는 간편한 방법이지만 불순물이 함께 섞일 수 있습니다.
특성 분석
분리했다고 끝이 아닙니다. 다음 항목들을 함께 확인해야 실제로 엑소좀이 맞는지, 품질이 일정한지 알 수 있습니다.
입자 크기와 농도는 나노입자추적분석(NTA)이나 동적광산란(DLS)으로 측정합니다. 형태는 투과전자현미경(TEM)이나 저온전자현미경(cryo-EM)으로 확인합니다. 표지 단백질은 웨스턴블롯과 유세포분석으로 검출합니다. 순도는 음성 표지자가 검출되지 않는지, 단백질 대비 입자 수 비율이 적정한지로 판단합니다.
원료를 검토할 때는 엑소좀 함유라는 표시만이 아니라 위 데이터가 함께 제시되는지를 보는 것이 실질적인 판단 기준이 됩니다.
화장품에서의 엑소좀과 표시광고 기준
국내에서 화장품에 엑소좀을 언급할 때는 규정을 정확히 이해해야 합니다.
식약처의 화장품 표시광고 관리 지침에 따르면, 인체에서 유래한 특정 성분이 들어 있는 것으로 오인할 수 있는 표현은 사용할 수 없습니다. 엑소좀과 리포좀이 여기에 해당합니다. 다만 실증자료에 기반한 경우, 식물 등 인체 외에서 유래한 엑소좀은 표시가 가능합니다. 우유 엑소좀이나 식물 엑소좀이 그 예입니다.
정리하면 인체 유래 엑소좀은 화장품에서 함유를 표시하거나 오인시킬 수 있는 표현을 쓸 수 없고, 식물이나 우유 등 인체 외 유래 엑소좀은 실증자료가 있는 경우 표시가 가능합니다.
여기서 핵심은 실증자료입니다. 원료에 실제로 엑소좀이 존재하는지, 함량이 얼마인지를 뒷받침하는 분석 데이터가 없으면 표시 자체가 성립하지 않습니다. 앞 장에서 다룬 특성 분석 항목이 그대로 근거 자료가 됩니다.
한편 의약품 영역에는 별도의 규제 체계가 적용됩니다. 식약처는 세포외소포를 이용한 의약품 개발을 지원하기 위해 세포외소포 치료제 품질, 비임상, 임상 가이드라인을 운영하고 있으며 여기에는 적용 범위와 제조 방법, 품질관리, 독성시험 자료 등이 포함됩니다. 화장품 원료로서의 엑소좀과 치료제로서의 엑소좀은 전혀 다른 규제 트랙에 있다는 뜻입니다.
규정은 개정될 수 있으므로 실제 제품 기획 시에는 최신 지침을 확인하거나 규제 전문가의 검토를 받는 것을 권합니다.
엑소좀(exosome)이란? 정리
엑소좀은 세포가 만들어 내보내는 30~150nm 크기의 소포로, 엔도좀 경로를 거쳐 형성되며 단백질과 지질, 핵산을 담아 다른 세포에 전달합니다.
1983년 처음 발견되었을 때는 세포의 노폐물로 여겨졌지만, 2007년 유전물질 전달이 확인되면서 세포 간 정보 전달의 핵심 매개체로 재평가되었습니다.
산업적으로 중요한 것은 두 가지입니다. 분리 방법과 특성 분석 데이터가 곧 원료의 품질이라는 점, 그리고 유래에 따라 적용되는 규제가 다르다는 점입니다. 화장품에서는 인체 외 유래 엑소좀만이 실증자료를 갖춘 경우 표시가 가능합니다.
주식회사 에이바이오머티리얼즈는 엑소좀을 비롯한 바이오 원료를 자체 개발하고, 이를 적용한 스킨부스터·화장품·메디컬 디바이스를 자사 브랜드와 ODM/OEM으로 공급하는 바이오 소재 기업입니다.
문의는 master@a-bio.co.kr또는 홈페이지 문의하기 폼을 이용해 주시기 바랍니다.웹사이트https://a-bio.co.kr
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