미국 라이스대학, 베일러의과대학, 텍사스대학 휴스턴건강과학 센터의 공동 연구팀이 주사형태로 투여가 가능한 나노입자가 산화 스트레스로 인한 손상으로부터 사람들을 보호할 수 있음을 입증했다.
‘Proceedings of the National Academy of Sciences’ 최신호에 발표된 이번 연구 결과는 연구팀이 지난 2012년에 보고했던 폴리에틸렌 글라이콜-친수성 탄소 클러스터(polyethylene glycol-hydrophilic carbon clusters: PEG-HCCs)라는 나노입자 기술이 적용되었다고 한다. 이 기술의 적용 덕분에 외상 발생 후에 손상을 유발시키는 산화과정 진행을 신속하게 차단할 수 있었다고 한다.
연구팀의 시험에서 PEG-HCCs는 외상에 반응하여 인체의 세포에서 과다 발현되는 수많은 활성 산소종(reactive oxygen species)을 신속하게 중화시키는 효과를 보였다. PEG-HCCs는 세포를 손상시키고 돌연변이도 유발시킬 수 있는 활성 산소종을 반응성이 훨씬 덜한 물질로 전환시킬 수 있는 놀라운 능력을 보여주었다. 연구팀은 외상성 뇌손상과 뇌졸중과 같은 손상 이후에 PEG-HCCs를 주사하여 뇌의 민감성 순환계의 산소 수치를 정상 수준으로 돌림으로써 추가적인 뇌 손상을 경감시키는 것을 희망하고 있다.
라이스대학의 화학과 교수인 James Tour 박사는 “PEG-HCCs는 활성 산소종 수치를 신속하게 정상 수준으로 돌려놓았다. 이 물질은 사고, 심장마비, 전쟁터의 부상당한 병사와 같은 사람들처럼 빠른 안정이 필요한 응급 환자들에게 유용한 도구가 될 것”이라고 밝혔다. 그는 베일러 의과대학의 Thomas Kent 교수 및 UTHealth의 Ah-Lim Tsai와 이번 연구를 공동으로 주도하고 있다.
PEG-HCCs는 3nm의 직경에 30~40nm의 길이이며 2000~5000개의 탄소 원자를 포함하고 있다. 연구팀의 시험에서 개별적인 PEG-HCC 나노입자는 초당 2만~100만 개의 활성 산소종을 산소 분자로 변환시킬 수 있는 것으로 나타났다. 연구팀은 비독성 PEG-HCCs를 과도한 출혈과 같은 의학적 외상을 유발시킨 마우스에게 주입했을 때에 뇌의 혈류에서 신속하게 안정화되어 세포에서 과다 발현되는 활성 산소종으로부터 보호 효과를 내는 것을 확인했다고 한다.
연구팀의 이번 연구에서는 외상성 뇌손상을 주요 표적으로 삼았다. 이러한 조건에서는 세포로부터 초산화물(superoxide)로 알려진 활성 산소종이 혈액으로 대량 유출되었다. 이들 독성 프리 라디칼(free radical)은 면역계가 병원균을 사멸시키는데 이용하는 단일 홀 원자(one unpaired electron)를 보유하고 있다. 또한 적은 농도에서도 초산화물은 세포의 정상적인 에너지 조절에 기여하고 있다. 생체에서는 이들 초산화물들은 중화 효소인 superoxide dismutase의 관리 하에 있다. 그러나 가벼운 외상이 발생하더라도 뇌의 자연적 방어 기작을 압도하는 수준으로 초산화물을 방출시킬 수 있다고 한다. 더하여 초산화물은 다른 더 큰 손상을 유발시킬 수 있는 peroxynitrite라는 다른 활성 산소종으로 전환될 수도 있다고 한다.
Tour 박사는 “이번 연구는 PEG-HCCs가 매우 빠르게 초산화물과 hydroxyl 라디칼과 같은 엄청난 숫자의 위중한 물질을 촉매하여 해가 없는 물질로 바꿀 수 있음을 보여주었다. 이들 물질들이 적절한 조절을 받지 못하면 정상 조직을 파괴하게 된다. 이번 연구는 외상성 뇌손상과 뇌졸중의 치료제에 중요할 뿐만 아니라 장기 이식과 같은 수술이나 장기와 조직의 급성 손상에서도 큰 역할을 할 수 있음을 보여주고 있다. 조직이 스트레스를 받으면 바로 산소가 고갈되고 주변의 정상 조직까지 공격할 수 있는 초산화물이 생성될 수 있다”고 밝혔다.
연구팀은 PEG-HCC 항산화제가 존재할 때와 부재일 때에 단일 홀원자를 갖는 초산화물 라디칼의 직접적인 구조와 반응에 대한 정보를 얻기 위하여 전자 상자성 공명 분광법(electron paramagnetic resonance spectroscopy)을 이용했다고 한다. 또한 다른 시험으로 산소 감지 전극, peroxidase, 적색 염료를 이용하여 나노입자가 초산화물 전환을 촉매시키는 능력도 시험했다고 한다.
Tsai 교수는 “잘 알려진 superoxide dismutase에 비교하면 PEG-HCC는 단백질이 아니며 촉매 역할을 할 금속도 보유하지 않고 있다. 그러나 이들의 효과적인 촉매 활성은 고도로 결합된 탄소 코어에 기인하는 듯하다”고 밝혔다.
이어진 시험에서 소비된 초산화물의 숫자가 PEG-HCC의 결합 부위를 훨씬 능가하는 것으로 나타났다. 또한 연구팀은 PEG-HCC가 혈관의 확장, 신경전달의 지원, 세포 보호에 도움을 주는 산화질소에 대한 영향은 없었으며, pH 변화에 민감하지도 않은 것으로 나타났다.
Kent 박사는 “PEG-HCCs는 초산화물을 산소로 전환시키는 엄청난 능력을 보유하고 있으며, 활성 중간체를 사라지게 하는 능력도 있지만 정상 수준의 산화질소 분자에는 영향을 주지 않는다. 때문에 PEG-HCCs는 산소의 결핍과 프리 라디칼 수준의 손상이 관련된 다양한 질환에 적용될 수 있을 것”이라고 밝혔다. 연구팀은 PEG-HCCs가 3개월 이상 안정한 상태를 유지했다고 추가 설명했다.
Journal Reference: Errol L. G. Samuel et al. Highly efficient conversion of superoxide to oxygen using hydrophilic carbon clusters. PNAS, 2015 DOI: 10.1073/pnas.1417047112
