DNA 기반 테오필린 약물 분석 기술 개발
국내 연구팀이 천식 및 만성폐쇄성 폐질환의 치료제로 사용되는 기관지 확장제인 테오필린 (Theophylline)의 혈중 농도를 신속하고 정확하게 검출할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발하였다.
* 테오필린: 찻잎에서 추출되는 카페인과 유사한 화학구조와 생리작용을 가진 물질, 천식 및 만성폐쇄성 폐질환 치료제인 기관지 확장제로 사용되며 혈중농도가 높을 경우 영구적인 신경손상의 부작용이 있음
이번 연구는 혈중 테오필린의 농도 분석을 기존보다 시간은 1/20로 가격은 1/15로 줄일 수 있는 기술로써, 향후 테오필린의 부작용을 걱정하는 만성폐쇄성 폐질환 환자들이 간편하게 혈중농도를 측정하여 안전하게 테오필린 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 성과는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프론티어사업의 바이오나노헬스가드연구단(단장 정봉현)의 지원으로 한국과학기술원 생명화학공학과 박현규 교수팀이 수행했으며, 연구 결과는 나노 분야의 국제저명 학술지인 '나노스케일(Nanoscale)'의 9월 7일(일)자에 연구의 중요성을 인정받아 표지논문으로 선정되었다.
※ 논문명: Target-controlled formation of silver nanoclusters in abasic site-incorporated duplex DNA for label-free fluorescent detection of theophylline
기관지 확장제로 사용되는 테오필린은 혈중농도 상승에 따른 부작용을 우려하여 보통 연령·증상·합병증 등을 고려하여 환자 개개인에 맞는 적정 복용량을 결정한다. 그러나 개인마다 복용량에 대한 흡수가 달라서 같은 복용량이라도 테오필린의 혈중농도 증가될 수 있어 환자에게 테오필린을 투여할 경우 혈중농도의 지속적인 측정이 요구된다.
현재 테오필린 약물의 혈중농도 분석에 사용되는 방법은 크로마토그래피, 자외선 분광법, 효소면역측정법이 있으나 복잡한 실험절차와 숙련된 기술을 필요로 하여 분석 비용과 시간이 많이 걸려 환자들 에게 부담이 크다.
연구진은 테오필린과 은 이온에 특이적으로 반응하는 DNA를 이용하여 테오필린의 혈중 농도를 측정하는 기술을 개발했다. 조작된 DNA를 테오필린 복용자의 혈액과 반응시켜 혈중 테오필린의 양이 적을 경우, 은 이온이 조작된 DNA와 반응하여 형광특성을 가진 은 나노클러스터를 형성해서 강한 형광신호가 나오며 반대로 테오필린의 양이 많은 경우에는 형광신호가 약해진다.
연구진은 이 형광신호의 차이를 적용하여 혈액 내에 존재하는 테오필린 약물을 성공적으로 분석해 내어 임상 유용성을 훌륭하게 검증하였으며, 본 기술이 상용화가 예상되는 향후 3~4년 후에는 기존의 3~4시간이 소요되는 분석을 10분 내외로 줄이고 분석에 소요되는 비용도 15분의 1로 줄일 수 있을 것으로 예상하고 있다.
박현규 교수는 “이번 연구는 기존 검출 시스템의 문제점을 극복하여 손쉽고 신속한 분석을 가능하게 해주는 새로운 원천기술이며, 다양한 병원체 물질 및 화학물질의 검출 기술로 확대될 잠재력이 매우 크다.”라고 연구 의의를 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
천식 및 만성폐쇄성 폐질환의 치료제로 사용되는 기관지 확장제인 테오필린 (Theophylline) 은 치료 농도의 범위가 좁으며, 혈중 농도가 너무 높은 과용량인 경우 영구적인 신경의 손상을 일으킬 수 있는 부작용을 가지고 있다. 이러한 문제로 인하여, 테오필린 약물의 정확한 정량 분석을 위한 검출 시스템이 필요한 상황이다.
현재 대부분의 테오필린 (Theophylline) 약물의 분석은 진단 검사실에서 기체 및 액체 크로마토그래피, 자외선 분광법, 그리고 효소면역측정법을 이용하여 이루어지고 있다. 그러나, 이러한 기존 방법들은 복잡한 실험절차와 숙련된 기술을 필요로 하며 분석 시간이 길다는 단점을 가지고 있다. 또한, 이 기존 방법들은 테오필린 (Theophylline) 과 구조적으로 유사한 카페인 (Caffeine) 및 테오브로마인 (Theobromine)을 구분해 내는 능력이 떨어진다. 이러한 문제점으로 인해 테오필린(Theophylline) 의 정확한 분석이 어려우며 양성 오류 (False positive) 신호를 발생시킬 수 있다.
이러한 단점을 해결하기 위한 대안으로, 테오필린 (Theophylline) 약물에 특이적으로 결합하여 구조적 변화를 일으키는 RNA aptamer 가 도입되었으며 이를 기반으로 다양한 검출 시스템이 개발되어지고 있다. 그러나, RNA 는 화학적 및 효소작용을 통해 쉽게 분해된다는 문제점을 가지고 있으며, DNA 와 비교하여 제작이 어렵고 가격이 비싸다는 단점을가지고 있다.
2. 연구내용
이에, 박현규 교수를 필두로 한 연구팀은 전술한 종래 기술들의 문제점을 해결하며 손쉽고 값싸게 테오필린 (Theophylline) 약물의 분석을 위하여 예의 노력한 결과, DNA를 주형으로 제작되는 형광특성을 띄는 은나노클러스터가 시토신 (Cytosine)과 마주보며 배열된 abasic site에서 제(Theophylline) 약물의 존재에 의해 저해 될 수 있음을 확인하였다. 또한, 이를 기반으로 값비싼 형광 물질의 표지가 필요 없는 손쉽고 간편한 새로운 형태의 테오필린 (Theophylline) 약물의 검출 시스템을 개발하게 되었다.
본 기술을 적용하여 혈액 내에 존재하는 테오필린 약물을 성공적으로 분석해 냄으로써 임상 유용성을 훌륭하게 검증함.
본 기술은 기존 방법들이 가지고 있는 문제점을 해결해주며 테오필린을 값싸고 편리하게 분석할 수 있는 장점을 가지고 있음.
3. 기대효과
특정 DNA구조와 소분자 (small molecule) 물질과의 상호작용을 은 나노 클러스터 기반 검출 기술과 접목한 본 기술은, 기존 검출 시스템의 문제점을 극복하며 손쉽고 신속한 분석을 가능하게 해주는 새로운 원천기술이 될 것이다.
본 기술의 상용화가 예상되는 향후 3~4년 후에는, 기존의 3~4시간이 소요되는 분석을 10 분 내외로 줄여주며, 분석에 소요되는 비용도 15분의 1로 줄일 수 있을 것으로 예상하고 있다.
주요 용어설명
1. 은 나노클러스터(AgNCs: Silver nanoclusters)
은 나노클러스터는 일반적으로 지름이 10 nm (100 Å)보다 작은 단분산 입자로 그 성질이 벌크와 단일 입자의 사이에 놓이는 독특한 성질을 가지고 있다. 시토신(Cytosine)과 은 이온(Ag+)의 상호작용을 기반으로 형성되는 은 나노클러스터는 크기에 따라 다른 빛을 방출하는 형광특성을 지니고 있다. 주로, 시토신이 풍부한 단일가닥 DNA 및 abasic site 와 마주보며 배열된 시토신을 주형으로 형성된다. 이 물질은, 바이오라벨링 및 센싱에 매우 적합한 소재로 평가받고있으며,다양하게 응용이 이루어지고 있다.
2. 무염기 부위(Abasic site)
일반적으로 DNA 염기손상에 의해 발생하는 abasic site는 DNA 염기가 소실된 부위로 최근에는 이 부분과 마주보며 배열된 시토신을 포함하는 이중가닥 DNA가 형광 특성을 띄는 은 나노클러스터의 형성을 위한 주형으로 작용할 수 있다는 사실이보고되었다.
3. 테오필린(Theophylline)
천식 및 만성폐쇄성 폐질환의 치료제로 사용되는 기관지 확장제로 치료 농도의 범위가 좁으며, 혈중 농도가 너무 높은 과용량인 경우 영구적인 신경의 손상을 일으킬 수 있는 부작용을 가지고 있다. 이러한 문제로 인하여, 테오필린 약물의 정확한 정량 분석을 위한 검출 시스템이 필요한 상황이다.
그 림 설 명
특정 DNA 를 이용한 테오필린 약물 분석 원리
테오필린 약물이 존재하지 않는 경우, abasic site와 마주보며 배열된 시토신은 은 이온과의 상호작용을 통해 Ag+-시토신 복합체를 형성하고, 환원제 (NaBH4)에 의해 형광특성을 띄는 은 나노클러스터를 형성하게 한다. 반면, 테오필린이 존재하는 경우 시토신과 마주보며 배열된 abasic site 는 테오필린과 결합하게 되고 은 이온과 시토신과의 상호작용이 차단된다. 이로 인해 환원제의 첨가에도 형광 특성을 띄는 은 나노 클러스터는 형성 되지 않는다. 이와 같이 표적물질 테오필린의 abasic site 결합을 통한 은 나노클로스터의 형성 저해 및 이를 통해 발생하는 형광신호의 차이를 관찰함으로써 표적 물질을 손쉽게 검출 할 수 있다.
