바이오인

핵심내용

‘금나노입자’, 통풍치료의 새로운 가능성 발견 
- 통풍, 신장질환 등 치료제 개발 적용 기대 -

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 “인체 내 유해한 물질을 분해할 수 있는 금나노입자*를 바이오의약품인 통풍치료제와 같이 사용하여 통풍 치료의 부작용을 줄이고 치료 효능을 높일 수 있는 새로운 가능성이 제시되었다.”고 밝혔다.
     * 금나노입자 : 1～100 나노(10-9 m) 크기의 금 입자 
    
 o 통풍은 요산*이 배출되지 않고 우리 몸 안에 쌓여서 생기는 질병이다. 통풍 치료제인 요산분해효소*는 요산을 분해하면서 과산화수소를 발생시킨다. 과산화수소는 혈색소에 있는 철을 산화시켜 산소 운반 능력을 떨어뜨려 과산화수소 분해 능력이 약한 환자에게 메트헤모글로빈혈증* 같은 부작용을 일으키기도 한다. 통풍치료제인 요산분해효소와 금나노입자를 동시에 사용하여 과산화수소를 물과 산소로 분해할 수 있는 새로운 치료의 가능성을 확인하였다.
     * 요산 : 퓨린이라는 물질이 간에서 대사되었을 때 생기는 분해 부산물. 소변 등을 통해 자연스럽게 배출된다.
     * 요산분해효소 : 요산을 5-하이드록시이소유레이트와 과산화수소로 분해하는 활성을 가지는 효소 
     * 메트헤모글로빈혈증(Methemoglobinemia) : 혈색소는 혈액에서 산소를 운반하는 역할을 한다. 
      메트헤모글로빈혈증은 혈색소에 있는 철이 산화되어 산소와 결합할 수 없어 산소 운반능력이 떨어지는 질병이다. 산소 부족으로 몸이 파랗게 변해 청색증이라고도 불린다. 

□ 권인찬 교수 연구팀(광주과학기술원)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 국제적인 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Report) 3월 13일자에 게재되었다. 
 
 o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
   - 논문명 : Synergistic Degradation of a Hyperuricemia-Causing Metabolite Using One-Pot Enzyme-Nanozyme Cascade Reactions
   - 저자 정보 : 권인찬 교수(교신저자, 광주과학기술원), 정세천(제1저자, 광주과학기술원) 

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

1. 연구의 필요성
 
  ○ 고요산혈증은 혈액 속의 요산*의 농도가 비정상으로 높은 상태이다. 이는 신장병, 심순환계 질병, 통풍 등의 질병을 일으킨다고 보고되어 있다. 특히 통풍은 미국의 경우 800만 명 이상의 환자가 있고, 국내에도 30만 명 이상의 환자가 있다고 알려져 있다.

  ○ 통풍과 같은 고요산혈증을 치료하기 위해 요산을 분해하는 요산분해효소가 통풍치료제로 미국식약청의 승인을 받아 사용되고 있다. 그러나 요산분해효소가 요산을 분해하는 과정에서 활성 산소*중 하나인 과산화수소를 발생시키는데, 과도한 과산화수소는 항산화능력이 부족한 환자에게 메트헤모글로빈혈증 (Methemoglobinemia) 같은 질병을 일으키거나 유전자 변형을 일으키는 등 여러 부작용을 일으킬 수 있고 요산 분해를 느리게 할 수 있다. 따라서 요산분해효소를 이용하여 퉁풍을 치료하는 중 생길 수 있는 부작용을 줄이고 요산분해효소의 효능을 향상시키기 위해서는 과산화수소를 제거할 필요성이 크다.  
      * 활성 산소 : 산화력이 강한 산소로 몸속에서 산화 반응을 일으켜 세포를 손상 시킬 수 있다.
 
 
 2. 연구 내용
  ○ 이 연구에서는 요산분해효소가 요산을 분해할 때 발생하는 과산화수소를 제거하기 위하여 나노입자를 이용하였다. 과산화수소를 물과 산소로 분해하는 활성을 가진 여러 나노입자들 중, 인체에 무해하고 화학적으로 안정하다고 알려진 금나노입자를 사용하였다.

  ○ 실험 결과 금나노입자가 과산화수소를 분해할 때 생성되는 산소 기포를 확인하였다. 또한 크기가 작은 금나노입자일수록 표면적이 증가하여, 과산화수소를 분해하는 능력이 더 크다는 것을 확인하였다.

  ○ 더불어 요산분해효소가 요산을 분해할 때 금나노입자가 함께 존재하면 요산분해효소의 요산 분해 속도가 증가해 요산분해시간이 금나노입자가 없는 경우와 비교했을 때 5배까지 감소함을 보여주었다.
 
 
 3. 연구 성과
  ○ 요산분해효소가 통풍의 원인이 되는 요산을 분해하면서 부작용을 일으킬 수 있는 과산화수소를 생성하게 되는데, 이 생성된 과산화수소를 인체에 무해한 물과 산소로 분해하기 위해 금나노입자를 사용함으로써 과산화수소로 인한 부작용의 가능성을 줄이면서 요산분해효소의 효능도 향상시킬 수 있다는 것을 보여주었다.

  ○ 이번 연구는 금나노입자의 과산화수소 분해 활성을 통해 금나노입자가 바이오의약품과 같이 사용 되어 질병치료에 이용될 수 있는 가능성을 보여주었다. 향후에 다양한 활성을 가지고 있는 나노입자들을 바이오의약품과 같이 사용하여 통풍 치료뿐만이 아니라 다양한 질병치료에 이용 할 수 있을 것으로 기대한다.

□ 권인찬 교수는“이번 연구는 통풍치료용 단백질이 활성산소를 발생시키는 문제를 해결하기 위해 요산분해효소와 금나노입자를 같이 사용하였다. 그 결과, 금나노입자를 사용하여 바이오의약품의 약효를 향상시킨 것을 처음으로 보여주었다. 앞으로 동물실험, 임상실험 등으로 나아가야겠지만 통풍, 신장 질환 등 다양한 질병 치료에 적용할 수 있는 새로운 길을 찾았다는 점에서 의미가 있다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

상세내용

연 구 결 과  개 요
 
 1. 연구배경
  ㅇ 사람이 음식물을 섭취하고 분해하는 과정에서 요산이라는 부산물이 생성된다. 요산은 소변 등을 통해 자연스럽게 배출되는데, 이 과정이 원활하지 못하면 체내에 쌓이게 된다. 이런 과정을 통해 혈중에 요산의 농도가 높아진 상태를 고요산혈증이라고 한다. 고요산혈증은 신장병, 심순환계 질병, 통풍 등의 질병을 일으킨다고 보고되어 있다. 이러한 고요산혈증을 치료하기 위해 바이오의약품인 요산분해효소가 통풍치료제로서 미국식약청의 승인을 받아 사용되고 있다. 요산분해효소는 요산을 분해시켜 체내에 쌓인 요산을 제거한다. 그러나 요산이 분해되는 과정에서 과산화수소가 생성된다. 활성 산소인 과산화수소는 인체에 여러 부작용을 일으킬 수 있고 요산분해효소가 요산을 분해하는 속도를 느리게 만든다. 따라서 요산분해효소의 부작용을 줄이고 효능을 향상시키기 위해, 과산화수소를 제거할 수 있는 시스템의 개발이 필요하다.
 
 2. 연구내용
 ㅇ 이 연구에서는 금나노입자의 과산화수소 분해 활성을 이용하여, 단백질 치료제인 요산분해효소와 금나노입자를 같이 사용하였을 때 요산분해효소의 부작용을 줄이고, 효능을 증대 시킬 수 있다는 것을 보여주었다. 요산분해효소는 요산을 분해하면서 과산화수소를 생성한다. 금나노입자는 요산분해효소가 생성한 과산화수소를 인체에 무해한 물과 산소로 분해한다. (그림 1) 

 ㅇ 금나노입자들은 금나노입자들끼리 응집되는 것을 막기 위해 나노입자들의 표면을 특정 물질도 코팅하는 것이 필수적이다. 이 물질에 따라 금나노입자들의 특성이 변하기도 한다. 이 연구에서는 각각 구연산, 타닌산, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐피롤리돈 라는 물질들로 코팅되어 있는 금나노입자 후보군들 중에 폴리비닐피롤리돈이라는 고분자로 코팅되어 있는 금나노입자를 선정하였다. 폴리비닐피롤리돈는 음식물첨가제나 혈액 성분 대체제로 사용될 만큼 안전하다고 보고되어 있다. 또한 금나노입자에 강하게 결합하여 금나노입자의 안정성을 높여준다. 구연산이나 타닌산으로 코팅된 금나노입자들은 과산화수소를 분해하는 활성이 더 크지만, 이들은 금나노입자에 약하게 결합하여 요산분해효소와 동시에 사용하였을 때, 요산분해효소의 요산 분해 활성을 감소시키는 것을 확인하였다. 금나노입자는 과산화수소를 분해하면서 산소를 발생시키는데 이 산소 기포가 생성되는 것을 확인하였다. (그림 2). 또한 금나노입자의 크기가 작을수록 금나노입자의 표면적이 증가하여 금나노입자의 활성이 증가하는 것을 확인하였다. 

 ㅇ 금나노입자를 요산분해효소와 같이 사용함으로써 요산분해효소의 요산 분해 속도가 증대되어 요산분해시간이 5배까지 감소함을 보여주었다.
 
3. 기대효과 
 ㅇ 한국에서는 30만 명 이상의 환자가 통풍으로 고통 받고 있다. 통풍의 원인인 고농도의 요산을 제거하기 위해 투여하는 요산분해효소는 반응부산물인 과산화수소로 인해 환자에게 부작용을 일으킬 수 있다. 본 연구에서 개발한 요산분해효소와 금나노입자를 같이 사용함으로써 요산분해효소로 통풍치료 시에 생길 수 있는 부작용을 줄이고 치료 능력이 향상될 것으로 기대된다. 

 ㅇ 금나노입자는 치료용 단백질에 비해 합성 방법이 간단하고 저렴하여 대량생산이 용이하다. 또한 치료용 단백질과 비교하였을 때 안정성이 높아 장시간 효소 활성을 유지한다. 이 연구는 금나노입자의 의료용 목적으로의 응용 가능성을 보여주었다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 다양한 나노 입자들이 효소 활성을 지닌다고 보고된 이후로, 이를 이용하여 생체물질을 진단하기 위한 센서로의 많은 응용 연구가 진행되어왔다. 하지만 이러한 나노입자는 아직 치료용 목적으로의 연구가 많이 진행되지 않았다. 본 연구실에서 진행 중인 통풍치료제 연구에 활성 산소인 과산화수소를 분해할 수 있는 나노입자들의 응용 가능성을 생각하게 되었다. 구체적으로는 통풍치료제인 요산분해효소가 통풍의 원인인 요산을 분해하면서 과산화수소를 생성하고, 이 때문에 여러 부작용이 발생한다는 사실을 알게 되었다. 과산화수소를 분해 할 수 있는 금나노입자를 요산분해효소와 같이 사용함으로써, 요산분해효소의 부작용을 줄이고 효능을 증대시킬 수 있을 것이라 생각하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개
여러 물질로 코팅되어 있는 금나노입자 후보군들을 실험해가며, 과산화수소를 분해하고 요산분해효소의 요산분해활성을 증대시킬 수 있는 폴리비닐피롤리돈으로 코팅된 금나노입자를 선정하였다. 작은 크기의 금나노입자를 사용함으로써 금나노입자의 표면적을 넓혀 금나노입자의 효소 활성을 증대시켰다. 이후 요산분해요소와 금나노입자를 동시에 사용함으로써 요산분해효소의 요산 분해 능력의 증대를 확인하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
나노입자는 같은 효소 활성을 보이는 단백질 효소와 비교하였을 때, 효소 활성이 낮다고 보고된다. 금나노입자의 활성이 충분히 높지 않다면, 요산분해효소가 생성한 많은 양의 과산화수소를 금나노입자가 효율적으로 분해하지 않을 수 있었다. 따라서 금나노입자의 효소 활성을 위한 최적의 조건을 찾는데 집중하였다. 금나노입자의 크기를 줄여 금나노입자의 표면적을 늘려 효소 활성을 증대시켰다. 또한 금나노입자는 효소와 비교 하였을 때 안정성이 높아 장시간 효소 활성을 보여 요산분해효소와 금나노입자를 동시에 사용하였을 때, 요산분해효소의 효능을 증대시킬 수 있었다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
기존의 나노입자의 효소 활성에 관한 연구는 주로 생체 물질을 진단하는 센서로서의 응용 연구가 대부분이었다. 이번 연구는 금나노입자의 의료용 목적으로의 응용 가능성을 확인한 연구로 나노입자의 의료용 응용 연구의 시발점이 될 수 있다는 점에 가치가 있다. 또한 요산분해효소와 금나노입자의 동시에 사용함으로 인해 요산분해효소의 효능을 증가시킬 뿐만 아니라, 요산분해효소의 부작용을 줄일 수 있는 가능성을 열었다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?
이번 연구는 실험실 수준에서 요산분해효소와 금나노입자를 같이 사용함으로써 요산분해효소의 활성을 증가시키고 부작용을 줄일 수 있다는 가능성을 확인한 연구이다. 이를 실제로 적용하기 위해서는 우선 동물 실험을 통해 요산분해효소와 금나노입자의 사용 적합성을 확인하려고 한다. 그리고 더 나아가 임상 실험을 통해 인체 사용의 안정성을 확인하고자 한다. 또한 통풍뿐만 아니라 다양한 질병에 금나노입자의 활용에 관한 연구를 진행하고자 한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
처음 요산분해효소와 금나노입자를 같이 사용하는 방안을 고안했을 때는 실험의 가능성에 의구심을 품지 않았다. 하지만 금나노입자의 과산화수소분해 활성이 단백질 효소의 같은 활성에 비해 활성이 좋지 않음을 확인했을 때, 이에 관해 반신반의 했다. 이를 해결하기 위해 금나노입자의 효소 활성을 증가시키기 위한 최적화 연구를 진행하였다. 그 결과들이 쌓여 금나노입자의 과산화수소 분해로 인해 생성된 산소 기포를 관찰하고, 요산분해효소와 금나노입자를 동시에 사용함으로써 요산분해효소의 활성이 증대된 것은 설레는 경험이었다. 

...................(계속)

☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.