전 세계적으로 치매로 인한 사회적 비용과 문제들이 기하급수적으로 늘어나고 있지만, 현재까지 그 근본적인 치료방법은 전무한 상태다.

이에 IBS 나노입자 연구단의 연구진이 알츠하이머병의 치료제를 개발할 수 있는 가능성을 열어 귀추가 주목된다.

최근 알츠하이머병 등과 같은 신경퇴행성질환의 연구결과를 보면, 미토콘드리아의 기능이상에 상당부분 기인하는 것으로 밝혀졌다. 미토콘드리아는 체내 세포 속에 위치하여, 신체에 필요한 에너지원을 만드는 물질대사를 주관하는 기관이다. 무수히 많은 모든 세포 속에 미토콘드리아가 존재하며, 대사 과정에서 부산물인 활성산소(유해산소)가 발생한다.

만약 신체가 환경오염이나 화학물질 등과 같은 외부요인에 노출 되거나 과다한 스트레스 등의 영향을 받게 되면 미토콘드리아의 기능이 저하되는데, 이때 생긴 과다활성산소가 각종 질병을 유발한다. 이에 항산화제를 이용한 활성산소 제거법이 활용되고 있으나, 지속성이 떨어지고 미토콘리아에 도달하기 전에 분해되는 등의 문제점을 보였다.

연구진은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 체내 독성은 거의 없으면서, 활성산소 제거 능력이 탁월한 산화세륨(세리아) 나노입자를 이용하였다. 나노입자를 구성하고 있는 세륨 이온은 활성산소를 쉽게 없애며, 체내에서 재사용되기 때문에 기존의 항산화제보다 더 큰 효과를 기대할 수 있다. 또한 나노입자 표면에 TPP(Triphenylphosphonium)잔기를 부착시켜 나노입자를 양전위로 만듦과 동시에 소수성을 띄게 하여, 음 막전위를 갖고 소수성 막으로 둘러싸인 미토콘드리아 내로 출입을 유도할 수 있도록 하였다. 그 결과 일반 세리아 나노입자보다 집중적으로 미토콘드리아 내 활성산소를 제거할 수 있었다.

연구진은 이번 실험을 통해 개발한 미토콘드리아 표적 나노입자를 알츠하이머병 모델 생쥐의 뇌에 직접 주입하여 병변을 회복시킬 수 있는지를 관찰하였고, 나노입자가 주입된 알츠하이머병 모델 생쥐의 뇌에서 손상된 신경세포가 회복되고 염증이 감소하였음을 확인하였다.

이번 연구를 주도한 IBS 나노입자 연구단의 현택환 단장은 “나노‧의생명 분야의 공동연구를 통해, 여러 질병의 원인으로 꼽히는 미토콘드리아 내 활성산소를 효과적으로 제거할 수 있는 새로운 나노입자의 합성에 성공했다”라고 평가했다. 한편 공동연구를 수행한 서울대학교 의과대학 생화학교실의 묵인희 교수는 “이번 연구가 알츠하이머 뿐 아니라 여러 신경퇴행성질환의 치료제 개발에도 획기적 전환점을 가져올 것으로 기대한다”고 밝혔다.

▲ 미토콘드리아 표적 산화세륨(세리아) 나노입자의 합성

▲ 미토콘드리아 표적 산화세륨 나노입자의 공초점 현미경 사진

▲ 활성산소 제거능력 실험(좌), 결과 요약(우)

▲ 미토콘드리아 표적 산화세륨 나노입자가 알츠하이머병 모델 생쥐의 신경세포에 미치는 영향

▲ 미토콘드리아 표적 산화세륨 나노입자가 알츠하이머병 모델 생쥐에서 나타나는 신경염증반응에 미치는 영향

이번 연구결과는 화학분야 세계 최고 권위의 학술지인 ACS Nano (IF 12.8) 온라인 판에 2월 11일 게재됐다.

대외협력실 김한섭