통풍치료 새 길 열리나 … 금 나노입자 전달기술 개발
통풍치료 새 길 열리나 … 금 나노입자 전달기술 개발
과산화수소 분해하는 요산분해효소·금 나노입자 전달체 개발
  • 박정식 기자
  • 승인 2019.08.13 12:57
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[헬스코리아뉴스 / 박정식 기자] 요산분해효소와 금 나노입자를 체내에 효과적으로 전달할 수 있는 기술이 개발되면서 통풍치료에 새로운 길이 열릴 전망이다.

13일 한국연구재단에 따르면 광주과학기술원 권인찬, 태기융 교수 연구팀은 통풍치료제로 사용되는 요산분해효소의 부작용은 줄이고 효과는 높일 수 있도록 단백질과 금 나노입자를 동시에 체내로 전달할 수 있는 나노전달체 기술을 개발했다.

간에서 퓨린이라는 물질이 대사될 때 생기는 부산물인 요산은 보통 소변 등을 통해 배출된다. 이 요산이 소변으로 자연스레 배출되지 않으면 통풍 등을 유발할 수 있어 치료제로 요산분해효소가 사용된다. 문제는 요산분해요소가 분해 과정에서 과산화수소를 만들어 내며 이를 효과적으로 제거하기 어렵다는 점이다. 우리 몸을 돌아디면 위험한 과산화수소는 간이나 적혈구, 신장 등에 들어있는 항산화효소인 카탈라아제에 의해 물과 산소로 분해된다.

최근에는 과산화수소 제거제(Scavenger)로 금 나노입자가 주목받고 있다. 연구진 역시 실제 금 나노입자가 요산분해효소의 부산물인 과산화수소도 제거할 수 있음을 확인했다. 다만 요산분해효소와 금 나노입자를 단순히 혼합해 주입하면 혈액에서 희석되면서 의도한 효과를 얻기 어렵다는 문제가 있었다.

이를 해결하고자 연구진은 요산분해효소와 금 나노입자를 원하는 혼합배율로 동시에 전달할 수 있는 고분자전달체를 개발, 통풍질환 동물모델에서 과산화수소를 제거할 수 있음을 입증했다.

요산분해효소가 만들어내는 과산화수소를 금 나노입자가 제거해줌에 따라 과산화 수소로 인한 부작용을 줄이고 요산분해 효과를 향상시켰다. (그림=광주과학기술원)
요산분해효소가 만들어내는 과산화수소를 금 나노입자가 제거해줌에 따라 과산화 수소로 인한 부작용을 줄이고 요산분해 효과를 향상시켰다. (그림=광주과학기술원)

연구진은 온도 조절로 크기를 변화시킬 수 있는 고분자 나노전달체에 효소와 금 나노입자를 원하는 비율로 포집하고 체내로 전달함으로써 효소와 금 나노입자가 혈액에서 희석되지 않도록 했다. 이를 통해 과산화수소 농도를 감소시키는 한편 요산 분해 효과를 오래 유지할 수 있도록 했다.

실제로 혈중 요산 농도가 높은 생쥐에게 나노전달체에 요산분해효소와 금 나노입자를 동시에 포집해 주입하고 시간에 따른 요산농도 변화를 측정한 결과 효소를 단독 주입하거나 나노전달체에 포집하지 않은 채 주입한 경우에 비해 2배 가량 높은 혈중 요산 감소 효과를 보인 것으로 나타났다.

권인찬 교수는 “부작용을 걱정하지 않으면서 더욱 우수한 약효를 갖는 조성물을 통해 통풍 치료를 위한 더 많은 활용이 기대된다”며 “다만 실제 응용을 위해서는 고분자 나노전달체와 금 나노입자의 체내 안전성에 대한 더 많은 연구가 필요하다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 수행됐으며, 공동 제1저자로 광주과학기술원 김만세 박사와 김승균 연구원(박사과정)이 참여했다. 연구 결과는 약물전달 분야 국제학술지 `저널 오브 컨트롤드 릴리즈'(Journal of controlled release) 7월26일자에 게재됐다.

 

아래는 연구진과의 미니 인터뷰.

왼쪽부터 권인찬 교수, 태기융 교수, 김만세 박사, 김승균 연구원. (사진=광주과학기술원)
왼쪽부터 권인찬 교수, 태기융 교수, 김만세 박사, 김승균 연구원. (사진=광주과학기술원)

■ 연구를 시작한 계기나 배경은?

다양한 나노입자들이 효소활성을 지닌다고 알려진 이후로 이를 이용하여 생체물질을 진단하기 위한 센서로 응용하기 위한 연구가 활발하다. 하지만 나노입자는 아직 치료용 목적으로의 연구가 많이 진행되지 않았다.

과산화수소를 분해할 수 있는 금나노입자를 요산분해효소와 함께 사용하여 통풍치료를 위해 필요한 요산분해 효과를 높일 수 있을 것이라는 것을 실험실 수준에서 보였다(2017년). 하지만 실제 치료에 적용하기 위해서는 체내에서도 효과가 있는 지 확인이 필요하였다. 금나노입자와 요산분해효소를 단순히 섞어 체 내에 주입하면 두 가지 모두 농도가 낮아져서 금나노입자의 효과를 볼 수 없다는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 태기융 연구실에서 개발된 무독성 고분자 나노전달체를 이용하여 금 나노입자와 요산분해효소를 동시에 안전하게 체 내로 전달할 수 있겠다는 아이디어를 기초연구실 협력연구를 통해 수행하게 되었다.

■ 연구 전개 과정에 대한 소개

통풍치료제인 요산분해효소와 과산화수소를 제거하는 금 나노입자를 고분자 나노 전달체에 효율적으로 동시 포집될 수 있도록 포집 조건을 최적화 하였다. 또한, 동시 포집될 요산분해효소와 금 나노입자의 최적의 비율을 결정하기 위한 다양한 실험을 진행하였다.

세포에서 과산화수소의 독성을 확인하기 위한 분석법을 개발하고 이번 실험에 적합한 고요산혈증 동물 모델을 유도 조건을 탐색하였다. 이를 통해 요산분해효소와 금 나노입자가 동시에 포집된 나노 전달체가 세포 및 체 내 독성을 감소시키고 요산분해 효과가 증대된다는 점을 확인하였다.

■ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지?

나노입자는 같은 효소 활성을 보이는 단백질 효소와 비교하였을 때, 효소 활성이 낮다고 보고된다. 금 나노입자의 활성이 충분히 높지 않다면, 요산분해효소가 생성한 많은 양의 과산화수소를 효율적으로 분해할 수 없었다. 또한 이를 포집할 나노 전달체의 양이 적절치 않으면, 요산 분해 효소와 금 나노입자의 활성이 낮았다.

따라서 나노 전달체에 동시에 포집할 요산분해효소와 금 나노입자의 최적의 비율을 찾는 과정이 어려웠다. 시간이 오래 걸리는 동물실험을 진행하기 전에 실험실에서 요산분해효소, 금 나노입자, 나노 전달체 이 세 가지 요소들의 양을 체계적으로 변화시키면서 최적화를 진행하여 동물실험에 사용할 수 있는 조건을 찾을 수 있었다. 또한 서로 다른 기술을 가진 두 연구팀이 기초연구실 과제의 특성상 자주 미팅을 함으로써 예상보다 순조롭게 협력연구를 진행하였다.

■ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존의 나노입자의 효소 활성에 관한 연구는 주로 생체 물질을 진단하는 센서로서의 응용 연구가 대부분이었다. 이번 연구는 금나노입자의 체 내에서의 치료용 목적으로의 응용 가능성을 확인한 연구로 나노입자를 이용한 치료 연구의 시발점이 될 수 있다는 점에 가치가 있다. 또한 통풍치료제인 요산분해효소와 금나노입자를 체 내에 동시에 전달함으로써 기존의 통풍치료 방법 보다 부작용이 적도 효능도 향상되는 치료 방법의 개발 가능성을 보여주었다.

■ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?

이번 연구로 개발된 요산분해효소-금 나노입자를 포함한 고분자 나노 전달체 조성물의 경우 통풍치료를 위해 사용될 가능성이 높다. 그런데, 치료제로 사용하기 위해서는 고분자 나노 전달체와 금 나노입자의 체 내에서의 안전성에 대한 더 많은 연구가 필요하다.

■ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

이번 연구는 실험실 수준에서 동물모델을 사용하여 요산분해효소와 금나노입자를 같이 사용함으로써 요산분해효소의 활성을 증가시키고 부작용을 줄일 수 있다는 점을 보여준 것이다. 이를 실제로 치료제로 개발하기 위해서 노력해 보고자 한다. 또한 통풍뿐만 아니라 다양한 질병에 나노입자나 나노 전달체를 이용하는 연구를 진행하고자 한다.

■ 특별한 에피소드가 있었다면?

처음 요산분해효소와 금나노입자를 나노 전달체로 동시 포집하여 동물 체 내로 전달하였을 때 요산분해 효과가 확실하지 않아서 체 내에서의 효과를 반신반의 했었다. 그런데 결과를 분석하면서 사용했던 요산 농도 측정 방법이 정밀한 실험에 문제점이 있었다는 것을 알게 되어 측정 방법을 오랜 시간 다시 확립하게 되었다. 새로운 요산 농도 측정 방법을 사용한 첫 동물 실험에서 바로 예상했던 결과를 확인할 수 있었던 것은 설레는 경험이었다.

 


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