활성산소로 인한 산화 스트레스가 신경 퇴행성 질환인 파킨슨병의 주요 원인
세포 안팎으로 활성산소 제거하는 세리아 나노입자 3종 시스템 개발
 

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노입자 연구단 현택환 연구단장(서울대학교 화학생물공학부 교수) 연구팀은 세포의 안팎으로 존재하는 활성산소를 영역별로 제거하는 세리아(산화세륨, CeO2) 나노입자 시스템을 개발하고, 이를 파킨슨 질병 모델 생쥐에 적용해 치료 효과를 확인하는 데 성공했다. 이 세리아 나노입자 시스템은 활성산소로 생기는 질병들의 치료법 개발에 광범위하게 활용될 것으로 기대된다.
 

활성산소는 세포의 생존에 필수적인 요소로, 면역과 신호 전달에 중요하다. 그러나 활성산소의 농도가 지나치게 높아지면 이들은 우리 몸에 필요한 생체 분자들을 무차별적으로 공격한다. 우리 몸에 필요한 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 활성산소로 인한 산화 스트레스뿐만 아니라 신경 염증으로 인해 세포 바깥 영역에 생기는 활성산소도 파킨슨 발병에 관여한다. 이렇듯 발생 과정이 매우 복잡한 파킨슨 질병이므로 활성산소가 발생하는 위치에 따른 영향을 규명하고 치료제를 개발하는 방법이 타당하나, 기존에는 선택적인 활성산소 제거 기술이 전무했다.
 

이에 따라 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. 세리아 나노입자는 입자 표면의 세륨 3가 이온(Ce3+)과 산소가 결핍된 부분이 신체에 치명적인 활성산소 제거에 결정적인 역할을 하는데, 본 연구진은 2012년부터 세리아 나노입자를 의료 분야에 적용해 지속적으로 연구해왔다.
 

연구진은 세리아 나노입자의 크기와 입자 표면의 전하 성질을 각각 다르게 하여 3가지 종류의 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 나노입자가 그 구성이다.
 

세리아 나노입자 시스템의 활성산소 제거 효과를 확인하기 위해 파킨슨 병 모델 생쥐의 뇌(선조체)에 3가지 종류의 세리아 나노입자를 각각 주입해 치료 효과를 관찰했다. 파킨슨병은 도파민이라는 신경전달물질을 분비하는 신경 세포의 소실로 발생하기 때문에, 치료 효과는 도파민 전구체를 만드는 효소인 티로신하이드록시아제(Tyrosine Hydroxylase; TH)가 선조체에 얼마나 존재하는지에 따라 달렸다.
 

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 관찰하였는데, 3가지 세리아 나노입자 처리 그룹 모두 뇌 염증이 줄어들었다. 즉, 3종의 세리아 나노입자 중 세포질 및 미토콘드리아 표적 세리아 나노입자들이 뇌염증과 산화 스트레스를 줄임으로써 도파민을 분비하는 신경 세포를 보호, 파킨슨병을 치료할 수 있음이 증명된 것이다.
 

현택환 IBS 나노입자 연구단 연구단장은 “이번 결과는 활성산소를 세포 내, 외 및 미토콘드리아에서 선택적으로 제거 하는 기술을 최초로 개발 했을 뿐 아니라 이들의 파킨슨 치료 효과와 발병 원인 규명과 나노입자의 새로운 의학적 적용을 보여준 사례”라고 밝혔다.
 

본 연구결과는 독창성을 인정받아 투고한지 최단 기간인 2주 만에‘상위 10% 내 Hot paper’로 게재가 승인됐다. 이번 결과는 독일 응용화학회지(Angewandte Chemie International Edition, IF 12.102) 온라인 판에 독일시간으로 지난 6월 22일 게재됐다.
 

□논문명
Ceria Nanoparticle Systems for Selec.tive Scavenging of Mitochondrial, Intracellular,and Extracellular Reactive Oxygen Species in Parkinsonꠓs Disease
(Angewandte Chemie, Online published)
저자정보
Hyek Jin Kwon, Dokyoon Kim, Kyungho Seo, Young Geon Kim, Sang Ihn Han, Taegyu Kang, Min Soh, and Taeghwan Hyeon*
 

□연구내용

■ 세리아 나노입자는 3 nm 이하가 되면 활성산소를 제거 하는 기능이 계속 재생되면서 유지된다. 그래서 적은 량이 세포에게 전달돼도 그 효과가 장시간 지속된다. 세포에게 해로운 초산화물(superoxide)를 제거하는 Superoxid dismutase (SOD) 효소와 과산화수소를 제거하는 Catalase 효소가 하는 기능을 두 가지 모두 수행 할 수 있는 장점도 있다. 뇌에는 항산화 기능을 담당하는 효소가 적은 편이어서 강력한 항산화 기능을 가진 세리아 나노입자는 치매 치료제로 적합하다.
 

■ 세리아 나노입자의 코어는 3 nm 이나 수용액에서 분산된 상태의 크기는 표면의 폴리머와 같이 움직이는 물 분자로 인해 증가한다. 그래서 세리아 나노입자가 11 nm, 미토콘드리아 표적 나노입자는 22 nm 세리아 나노입자 클러스터는 400 nm 로 증가 한다.
연구이야기
 

□연구 배경

파킨슨 질병에서는 미토콘드리아에 의한 산화 스트레스가 중요한 발병 원인이라고 여겨지고 있지만 도파민이 산화되는 과정에서 세포 내 산화 스트레스, 신경 염증에 의한 세포 밖 산화 스트레스 또한 발병에 중요 원인으로 여겨져서 발병 과정이 매우 복잡하다고 보고 있다. 위와 같이 활성산소가 세포의 특정 위치에 발생하면서 발병에 영향을 준다는 점에서 영감을 얻어 특정 위치의 활성산소를 선택적으로 제거하는 나노입자 시스템을 개발하게 되었다.
 

구체적으로 본 연구진에서 2012년 허혈성 뇌졸중 치료에 효과를 보인 세리아 나노입자와 2016년에 개발 된 미토콘드리아 표적 세리아 나노입자의 알츠하이머 치료제 연구 결과를 기반으로 세포 밖에서 존재하는 세리아 나노입자 클러스터까지 개발하여 세포 중심 특정 위치의 활성산소를 선택적으로 제거 하는 세리아 나노입자 시스템을 개발하였다.
 

□연구 과정

재생 가능한 항산화 기능을 가진 세리아 나노입자의 크기와 입자 표면 성질을 다르게 해 미토콘드리아, 세포 내 및 세포 외 활성산소의 선택적 제거가 가능한 시스템을 개발 하였다. 이 시스템은 본 연구단이 앞서 개발한 세포 내 표적 세리아, 미토콘드리아 표적 세리아 나노입자와 새롭게 개발 된 세포 외 표적 세리아 나노입자 클러스터로 구성되었다.
 

세포 내 표적 세리아 나노입자는 크기가 11 nm, 표면 전하 (ζ-potential)가 –23 mV 이다. 이 작은 크기는 세포 내로 이동하지만 음전하를 띠고 있어 미토콘드리아 내로는 잘 들어가지 못한다. 세포 내에서 활성산소를 제거하는 기능을 수행한다. 미토콘드리아 표적 세리아 나노입자는 표면에 Triphenylphosphonium (TPP)를 가지고 있어서 소수성과 표면 전하 (ζ-potential)가 +45 mV로 양전하를 띠고 있다. 크기는 22 nm 여서 세포 내로 이동한 후 가장 음전하를 띠고 있는 미토콘드리아로 이동하여 미토콘드리아 활성산소를 제거하는 기능을 수행한다.
 

마지막으로 세리아 나노입자 클러스터는 3 nm 세리아 나노입자를 수 십만개를 클러스터 형태로 결합 시켜 크기가 400 nm이고 표면이 음전하 (ζ-potential) –20 mV를 띠고 있다. 크기가 커서 세포 내로 이동하지 못하고 세포 밖에서 존재하면서 세포 밖 활성산소를 제거 하는 기능을 수행한다. 이 시스템을 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) 파킨슨 질병 모델 쥐의 뇌의 선조체에 주입하여 치료 연구를 해 본 결과 세포 내 또는 미토콘드리아 표적 세리아 나노입자를 처리한 실험 군 쥐의 선조체에서 타이로신 하이드록실레이즈가 보호됐다.
 

또, 같은 군에서 뇌염증과 관련 있는 별 아교 세포(astrocyte)의 활성화에 관여하는 ionized calcium-binding adapter molecule 1(IBA-1)의 발현량과 지질의 과산화량을 측정하는 척도인 4-hydroxylnonenal (4-HNE) 의 발현량이 현저하게 줄어들었다. 반면에, 세포 밖 표적 세리아 나노 클러스트를 처리한 군에서는 뇌염증만 줄어든 효과를 보이고 산화 스트레스와 도파민 분비 뉴런의 보호 효과는 보지 않았다. 이 결과는 세포 내 와 미토콘드리아 표적 세리아 나노입자들이 뇌염증과 산화 스트레스를 줄임으로써 도파민을 분비하는 뉴런을 보호해서 치매 치료효과를 보인 것이다. 이것을 통해 파킨슨 질병의 진행과 치료에서 세포 내 및 미토콘드리아 활성산소의 필수 역할을 규명했다.
 

□어려웠던 점

세포 밖에서 활성산소를 제거 하는 나노입자를 디자인 하는데 어려움이 있었다. 세포 밖에 존재 하려면 나노입자의 코어 크기가 200 nm 이상이 되어야 하는데 세리아 나노입자를 그 정도 크기로 만들면 표면적이 줄어들어서 활성산소를 제거 하는 기능이 재활용 되지 못 한다. 고심 끝에 3 nm 세리아 나노입자를 수십 만개를 클러스터 형태로 결합 시키면 가능하겠다는 생각이 들었다. 그 결과 항산화 기능이 재활용 되는 세리아 클러스터를 개발했다.
 

□성과 및 차별점

이번 연구결과는 활성산소를 세포의 위치에 따라 그 기능이 다를 것이라고 바라 본 과학적 시점 그 자체가 큰 성과이고 차별점이다. 지금 까지 이런 관점에서 진행된 연구는 없었다. 이러한 독창성과 성과를 인정받아 Angewandte chemie에 투고한지 최단 기간 2주 만에 곧 바로 상위 10% 이내 Hot paper로 게재 승인이 되는 진기록을 세웠다.
 

이 연구진에 누적된 나노 기술을 바탕으로 개발 된 세리아 나노입자 미토콘드리아 표적 나노입자, 세리아 나노입자 클러스터가 각각 세포 내, 외, 미토콘드리아 내의 활성산소를 선택적으로 제거가 가능함에 따라 파킨슨 질병의 발병에 세포 내 미토콘드리아 내 활성산소가 중요하다는 것을 밝혔다. 이 시스템은 활성산소가 발병에 관여하는 모든 질병들에 모두 유효할 것이라고 기대한다.
 

□향후 연구계획

활성산소를 선택적으로 제거 하는 세리아 나노입자 시스템은 세리아 나노입자를 선택적으로 세포의 특정 위치로 존재하게 하는 기술에 기초로 한다. 이 시스템을 이용하여 세포 특정 위치로 항암제나 항산화제를 전달하는 연구와 특정 항산화 기능을 짧은 시간에 증폭시키는 기능을 추가하여 세포에 적용하는 연구를 할 계획이다. 이 연구는 항암제와 치매 치료제 개발에 더욱더 효과를 보일 것으로 예상한다.
 

□그   림   설   명

[그림 1] 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.
 

 [그림 2] 세리아 나노입자 시스템의 전자 현미경 사진과 공초점 현미경 사진
a), b), c)는 3종류의 세리아 나노입자를 전자 현미경으로 관찰한 사진이다. d)의 사진에서 나노입자는 녹색 형광으로, 미토콘드리아는 빨간색으로 염색돼 있다. 첫 번째 행은 여러 개의 세포가 뭉쳐있는 모습인데, 세포질 표적 세리아 나노입자의 녹색 형광이 세포 전체에서 분포 하고 있어서 세포 내에서 존재함을 알 수 있다. 그러나 빨간색의 미토콘드리아 영역과 세리아 나노입자의 분포가 겹치지 않기 때문에 미토콘드리아로는 나노입자가 진입하지 않음을 알 수 있다. 두 번째 행에서는 미토콘드리아 표적 나노입자(TPP-세리아 나노입자)의 녹색 형광과 미토콘드리아의 빨간 색 형광 영역이 일치하고 있다. 미토콘드리아 표적 세리아 나노입자가 미토콘드리아에 제대로 적용됨이 입증된 것이다. 세 번째 행에서는 나노입자의 녹색 형광이 세포 밖에 존재한다. 따라서 클러스터 형태의 세리아 나노입자가 세포 밖에 존재함을 알 수 있다.
 

[그림 3] 파킨슨 병 모델(MPTP) 생쥐의 선조체 공초점 현미경 사진
그림 (a)의 첫 번째 행에서 대조군과 MPTP, MPTP + 식염수 그룹에서 녹색의 나노입자는 주입하지 않았으므로 보이지 않고, 세포질 표적 세리아, 미토콘드리아 표적 TPP-세리아, 세포 밖 영역 표적 클러스터 세리아를 주입한 그룹에서는 주입한 나노입자가 녹색 형광을 띠는 것을 볼 수 있다. 두 번째 행에서는 뇌염증을 측정하는 척도인 별 아교 세포 (astocytes)의 IBA-1 발현량을 측정한 결과 대조군과 MPTP, MPTP + 식염수 그룹에서는 빨간색의 IBA-1이 많이 존재한다. 세리아, TPP-세리아, 클러스터 세리아 그룹에서는 별 아교 세포의 양이 현저하게 줄어들었다. 따라서 세 그룹 모두에서 뇌염증이 감소했음을 알 수 있다.  그림 (b)의 첫 번째 행에서도 역시 대조군과 MPTP, MPTP + 식염수 그룹에서 녹색의 나노입자는 주입하지 않았으므로 보이지 않고, 세리아, TPP-세리아, 클러스터 세리아를 주입한 그룹에서는 주입한 녹색의 형광이 보인다. 두 번 째 행에서는 도파민을 분비하는 신경 세포의 타이로신 하이드록실레이즈의 양을 측정해 본 결과를 확인할 수 있다. 타이로신 하이드록레이즈는 그 양으로 도파민을 분비하는 신경 세포의 퇴화 정도를 측정할 수 있다. 효소가 많으면 정상 세포이고 효소가 적으면 기능이 퇴화된 세포이다. 대조군에서는 타이로신 하이드록실레이즈가 많이 측정되어 정상임을 알 수 있다. MPTP, MPTP + 식염수 그룹에서는 빨간색의 타이로신 하이드록실레이즈가 현저하게 줄어들어 도파민을 발현하는 신경 세포의 퇴화가 보이는 파킨슨 질병이 유도되었음을 알 수 있다. MPTP로 파킨슨 병을 생쥐에서 유도한 후, 세리아, TPP-세리아를 처리한 그룹에서는 빨간 색의 타이로신 하이드록실레이즈의 양이 통계적으로 유의미하게 치료 효과를 보일 정도로 발현되어 있고, 세리아 클러스트 그룹에서는 치료 효과가 없었다. 즉, 세포 내 와 미토콘드리아 표적 세리아 나노입자들이 뇌염증과 산화 스트레스를 줄임으로써 도파민을 분비하는 뉴런을 보호해서 치매 치료효과를 보인 것이라고 볼 수 있다.
 

 [그림 4] 파킨슨 질병 생쥐와 대조군 생쥐의 뇌에서 타이로신 하이드록실레이즈 발현량 그림 (a)는 타이로신 하이드록실레이즈의 양을 뇌 전체에서 촬영한 사진이다. 위는 광학현미경, 아래는 공초점 현미경으로 촬영했다. 뇌의 선조체에서 대조군은 갈색과 붉은 색의 타이로신 하이드록실레이즈가 정상적인 양으로 발현된 것을 알 수 있다. MPTP, MPTP + 식염수 그룹은 타이로신 하이드록실레이즈 양이 비정상으로 줄어있다. 세리아와 TPP-세리아를 처리 한 그룹에서는 (b)에서 왼쪽 부근에 나노입자의 형광이 보이고 그 부근에서 타이로신 하이드록실레이즈의 양이 통계적으로 유의미한 치료 효과를 보이는 범위까지 측정된 반면, 주입하지 않은 부분에서는 현저히 줄어들어 있다. 세리아 클러스터(세포 밖)를 측정한 그룹은 타이로신 하이드록실레이즈가 비정상으로 줄어있어, 치매 치료 효과를 보이지 않은 것으로 확인됐다.
 

□연구진 이력사항

현택환 IBS 나노입자 연구단장, 교신저자

1. 인적사항
 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단  서울대학교 화학생물공학부 중견석좌교수
 ○ 전 화 : 02-880-7150
 ○ e-mail : thyeon@snu.ac.kr

2. 학력
 1983-1987 학사, 서울대학교 화학과
 1987-1989 석사, 서울대학교 화학과
 1991-1996 박사, University of Illinois at Urbana-Champaign

3. 경력사항
1997 – 현재  서울대학교 공과대학 화학생물공학부 교수, 부교수, 조교수
2002 – 2011  과학기술부 창의적연구진흥사업 산화물 나노결정 연구단장
2010 – 현재  미국화학회지(JACS) 부편집장
2011 – 2016  서울대학교 중견석좌교수
2012 – 현재  기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 단장
2013 – 현재  미국재료연구학회(MRS) 석학회원(Fellow)

4. 전문 분야 정보
2002 젊은과학자상(대통령상), 이달의 과학기술자상(과기부장관상)
2008 POSCO 청암과학상
2011 세계 100대 화학자 선정(UNESCO&IUPAC 화학분야 37위; 재료과학분야 19위)
2012 호암공학상
2016 대한민국 최고과학기술인상 (대통령상)
2016 국제진공과학기술응용연합 (IUVSTA) 기술상

권혁진 IBS 나노입자 연구단 연구원, 공동 제1저자

1. 인적사항                             
 ○ 소 속 : 서울대학교 화학생물공학과
            기초과학연구원 (IBS)
 ○ 전 화 : 02-880-2982
 ○ e-mail : hjcole@snu.ac.kr

2. 학력
  1997-2002 카이스트 생명과학과 (학사)
  2002-2004 카이스트 생명과학과 (석사)
  2004-2009 카이스트 생명과학과 박사 수료
  2012-2018.8 서울대학교 화학생물공학부 박사 졸업 예정

김도균 IBS 나노입자 연구단 연구원, 공동 제1저자

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 기초과학연구원
 ○ 전 화 : 02-880-2982
 ○ e-mail : kimdk@snu.ac.kr

2. 학력
  1999-2003 서울대학교 응용화학부 (학사)
  2006-2008 서울대학교 화학생물공학부 (석사)
  2008-2013 Stanford University (박사)

3. 경력사항
  2013 – 현재 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 선임연구원