IBS "노화 초래 '활성산소' 제거 시스템 개발"

노화의 원인인 활성산소를 제거할 수 있는 나노입자 시스템이 개발됐다.

기초과학연구원(IBS)은 현택환 나노입자 연구단장 연구팀이 세포의 안팎으로 존재하는 활성산소를 영역별로 제거하는 세리아 나노입자 시스템을 개발했다고 29일 밝혔다.

연구팀은 이를 파킨슨 질병 모델 생쥐에 적용해 치료 효과를 확인하는 데 성공했다고 덧붙였다. 연구팀은 이 시스템이 활성산소로 생기는 질병들의 치료법 개발에 광범위하게 활용될 것으로 기대했다.

활성산소는 세포의 생존에 필수적인 요소로, 면역과 신호 전달에 중요하다. 그러나 활성산소의 농도가 지나치게 높아지면 우리 몸에 필요한 생체 분자들을 무차별적으로 공격한다. 생체 분자들의 전자를 빼앗아 산화를 시키는데, 이러한 산화 스트레스는 세포를 늙게 하고 죽음에 이르게 한다.

활성산소로 인한 산화 스트레스는 신경 퇴행성 질환인 파킨슨병의 주요 원인 중 하나로 알려져 있다. 세포의 미토콘드리아 혹은 세포질 영역에 존재하는 활성산소 외 신경 염증으로 인해 세포 바깥 영역에 생기는 활성산소도 파킨슨 발병에 관여한다.

발생 과정이 매우 복잡한 파킨슨 질병이므로 활성산소가 발생하는 위치에 따른 영향을 규명하고 치료제를 개발하는 방법이 필요했지만 선택적인 활성산소 제거 기술이 전무했다.

IBS 나노입자 연구단 연구팀은 미토콘드리아, 세포질, 세포 밖 이렇게 3가지 영역에서의 활성산소를 구분하고, 이들을 각각 제거할 수 있는 세리아 나노입자 구조를 3가지 영역 맞춤형으로 만드는 데 성공했다.

세포 내, 외 및 미토콘드리아 표적 세리아 나노입자 a), b), c)는 각각 세포 내(세포질) 표적 세리아 나노입자, 미토콘드리아 표적 세리아 나노입자, 세포 밖 표적 세리아 나노입자의 구조를 나타낸 그림이다. d)에서와 같이, 세리아 나노입자는 입자 표면에서 Ce3+와 Ce4+산화 상태를 오가면서 재생 가능한 항산화 기능을 한다. e)는 세리아 입자 표면과 입자 크기에 따른 선택적 항산화 기능을 설명하는 그림이다. f)와 같이 연구진이 개발한 세리아 나노입자 시스템은 세포질, 미토콘드리아, 세포 밖 이렇게 3가지 영역에 존재하는 활성산소를 선택적으로 제거할 수 있다.

세리아 나노입자는 입자 표면의 세륨 3가 신체에 치명적인 활성산소 제거에 결정적인 역할을 하는데, 연구진은 지난 2012년부터 세리아 나노입자를 의료 분야에 적용해 연구해왔다.

연구진은 세리아 나노입자의 크기와 입자 표면의 전하 성질을 각각 다르게 해 3종류의 나노입자 체계를 완성했다. 크기가 작고(11nm) 표면이 음전하를 띠는 세포질의 활성산소를 제거하는 세포질 표적 나노입자, 크기가 좀 더 크지만(22nm) 표면이 양전하를 뗘 미토콘드리아로 이동할 수 있는 미토콘드리아 표적 입자, 크기가 매우 커(400nm) 세포 내로 이동하지 못하고 세포 밖 활성산소를 제거하는 클러스터 형태의 나노입자로 나뉜다.

세리아 나노입자 시스템의 활성산소 제거 효과를 확인하기 위해 파킨슨 병 모델 생쥐의 뇌에 3가지 종류의 세리아 나노입자를 각각 주입해 치료 효과를 관찰했다. 파킨슨병은 도파민이라는 신경전달물질을 분비하는 신경 세포의 소실로 발생한다. 따라서 치료 효과는 도파민 전구체를 만드는 효소인 티로신하이드록시아제(TH)가 선조체에 얼마나 존재하는지에 따라 좌우된다.

세리아 나노입자 주입 결과, 세포질 및 미토콘드리아 표적 세리아 나노입자를 처리한 실험군 생쥐에서는 TH의 양이 유지된 반면, 세포 밖 표적 클러스터 입자를 주입한 생쥐 그룹은 TH의 양이 유지되지 못했다.

뇌 염증 관련 세포의 변화도 있었다. 3가지 세리아 나노입자 처리 그룹 모두 뇌 염증이 줄어들었다. 즉, 3종의 세리아 나노입자 중 세포질 및 미토콘드리아 표적 세리아 나노입자들이 뇌염증과 산화 스트레스를 줄여 도파민을 분비하는 신경 세포를 보호, 파킨슨병을 치료할 수 있음이 증명됐다.