화학공학/고분자공학부 방석호 교수, 세포 내 항산화 효소 조절로 허혈성 질환 치료 향상

- 세포 내 항산화 효소 조절이 가능한 나노입자 개발

- 나노입자의 허혈성 질환에 대한 치료 능력 검증

화학공학/고분자공학부 방석호 교수 연구팀(제1저자 임광범 박사, 현 하버드의대 소속)이 서울대학교 현택환 교수 연구팀(제1저자 유태용 박사, 김영건 박사)과 공동 연구를 통해 항산화 나노입자 적용의 새로운 방향을 제시하였다.

금속 산화물 나노소재는 산화 스트레스와 관련된 염증성 질환에 대해 효과적인 치료제로 등장하고 있다. 금속들의 다양한 산화 상태는 산화환원 반응 특성을 부여하며, 유해한 양의 반응성 산소 종들(ROS)을 억제한다. 그러나 나노소재 표면에 작은 분자와 단백질들이 동적으로 흡착되면 의도된 생화학 반응을 위한 활성 부위가 막히거나 변형될 수 있다. 산화환원 활성 분자인 글루타치온(GSH)과 같은 물질들은 나노소재를 더 생체적합한 상태로 변환시킬 수 있지만, 이러한 변환은 처음에 의도한 치료 효과보다 감소시킬 수 있다. 그래서 항산화 나노소재를 설계하는 것이 합리적이고, 이러한 나노소재는 생체 변형 과정을 우회하거나 활용하는 방식으로 설계된다. 또한 필수 미량 금속으로 구성된 나노소재는 흡수되고 생체적으로 이용 가능한 보조 효소로 변형될 수 있는 증거가 점점 더 많이 나오고 있다.

공동 연구팀은 항산화 금속 산화물 나노소재의 생체 변형을 이용하여 생체적으로 이용 가능한 보조 효소를 방출하여 대사성 염증의 전반적인 항산화 효과를 향상시켰다.

구리 이온은 생체 내 미량으로 존재하는 필수 원소로서, 항산화 효소인 슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 1 (SOD1)의 보조 효소이며, 이 효소는 초산화아니온을 과산화수소와 산소로 이산화시키는 작용을 한다. 구리는 또한 혈관신생을 촉진하고 혈류 감소 예방에 필요한 인자인 혈관내피세포성장인자 (VEGF)의 발현을 촉진한다. 그러나 구리는 물질의 양이 엄격히 조절되지 않으면 펜턴 유사 반응을 통해 하이드록실 라디칼 (Hydroxyl Radical)을 생성하여 산화 스트레스를 유발할 수 있는 잠재적 위험성을 가지고 있다. 이에 따라 방석호 교수 및 현택환 교수 연구팀은 항산화 금속 산화물 나노소재와 함께 전달될 때 구리가 유발할 수 있는 하이드록실 라디칼의 잠재적 위험을 최소화할 수 있을 것이라고 판단했다.

공동 연구팀은 세리아 나노입자가 항산화 전달 역할을 하여 구리 이온을 세포로 운반하고 제공하는 구리-세리아 나노입자(CuCe NPs)를 제작했다(그림1). 이 구리 이온들은 생체 변형을 통해 방출되어 항산화 효소인 SOD1의 상향 조절에 기여하였다. 세리아 나노입자는 이전부터 널리 알려진 ROS 제거 물질로서, 구리 활성화된 SOD1과의 시너지 효과를 통해 항산화 활동이 향상되고, 신호 전달자 및 활성화자인 STAT1 및 STAT6을 변조함으로써 대식세포에서 M2 극성과 항염증 반응을 유도하였다. 이번 연구에서 무기 코팩터를 항산화 나노소재를 통해 전달하는 것은 허혈성 질환(하지허혈 및 심근 경색 모델)에서 회복 결과가 개선됨에 따라 효과적인 치료 방법으로 입증되었다.

방 교수는 “이번 연구를 바탕으로, 후속 연구를 통해 다양한 질환 치료를 향상시키는 나노바이오 시스템을 구축하고, 이후 실제 응용 가능성을 확인할 예정이다”라고 설명했다.

연구팀의 연구결과는 재료 및 물질 분야 세계권위지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)에 4월 표지(frontspiece) 논문으로 선정되었다.

※ 논문제목: Ceria Nanoparticles as Copper Chaperones that Activate SOD1 for Synergistic Antioxidant Therapy to Treat Ischemic Vascular Diseases

※ 저널: Advanced Materials

※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/adma.202370114