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수술 대신 빛으로 암을 치료하는 원리가 밝혀졌다. 빛에 반응한 물질이 활성산소를 만들어 암세포에 미치는 세부적인 과정과 파장 색깔에 따른 치료 효과도 분석됐다. 향후 빛을 이용한 다양한 질병 치료 연구에 기여할 전망이다. UNIST(총장 정무영) 자연과학부의 권태혁·임미희·이현우 교수 공동 연구팀이 광감각제(Photo-sensitizer)와 빛을 이용해 암 조직만 골라 파괴하는 광역동 치료(Photodynamic therapy, PDT)에 효과적인 물질을 개발했다. 이리듐(iridium)을 기반으로 만든 이 물질은 빨간 빛을 활용하는 물질일수록 암세포를 잘 죽이는 것으로 밝혀졌다. 이번 연구는 광역동 치료에 적합한 분자 설계뿐 아니라 구체적인 작용원리, 실제 암세포에 적용한 실험 결과까지 총망라해 주목받았다. 이 내용은 화학 분야의 권위적인 저널인 미국화학회지(Journal of the American Chemical, JACS) 9월호에 실렸다. 광감각제는 빛을 받아 활성화되면서 주변의 산소를 활성산소로 만든다. 활성산소는 암세포 등을 공격해 사멸시키므로 암 치료 등에 활용할 수 있다. 이런 원리를 이용한 치료를 광역동 치료라 하는데, 지금까지 구체적인 작용기작은 밝혀지지 않았다. 권태혁 교수는 “세부적인 원리를 몰랐기 때문에 더 효과적인 광감각제를 설계하기도 어려웠다”며 “이번 연구에서는 활성산소를 잘 만들어내는 분자를 설계하고, 이를 통해 광역동 치료 전반에서 벌어지는 작용들을 밝혀냈다”고 말했다. 광감각제는 외부에서 빛(에너지)을 받으면 들뜨는 상태가 된다. 이 물질은 다시 안정된 상태로 돌아가려고 에너지를 밖으로 내보낸다. 이 때 주변 산소가 에너지를 받아 활성산소로 변한다. 에너지를 받아들인 활성산소는 반응성이 좋아 암세포 등을 공격해 파괴할 수 있다. 연구진은 산소를 활성산소로 잘 만드는 물질인 ‘이리듐’을 기반으로 몇 가지 광감각제를 만들었다. 그 결과 파장이 짧은 파란색이나 녹색 빛보다 파장이 긴 빨간색 빛을 활용하는 물질일수록 활성산소를 더 잘 만들어냈다. 제1저자로 이번 연구에 참여한 남정승 UNIST 자연과학부 석·박사통합과정 연구원은 “이번에 개발한 이리듐 복합체는 빛을 받아 활성산소를 활발하게 생성하고 암세포를 효과적으로 제거했다”며 “파장이 긴 빛이 유리하므로 몸 속 깊이 침투할 수 있는 적외선을 이용한 암세포 제거도 가능하다”고 설명했다. 연구진은 또 이리듐 복합체와 빛을 이용한 암세포 사멸 작용기작을 확인하기 위해 이리듐 복합체가 유도할 수 있는 두 가지 형태의 단백질 변형도 조사했다. 단백질 산화(Protein oxidation)과 광교차결합(Photo-cross-linking)이다. 이리듐 복합체와 빛으로 생성된 활성산소는 세포 내 단백질을 산화시키나, 서로 다른 단백질을 뭉치는 결과를 가져온다. 이는 암세포가 제대로 기능하지 못하도록 만들어 치료의 효과를 높이게 된다. 이번 연구에서는 60초만 빛을 쪼여도 세포 내에서 단백질 사이에 교차결합이 이뤄지는 현상이 확인됐다. 이와 더불어 질량분석법과 세포 이미징을 통해 세포의 생존에 중요한 영향을 미치는 미토콘드리아 단백질과 소포체 단백질들이 산화되는 것을 확인했다. 이번 연구는 UNIST 치매 연구 과제를 지원받아 진행됐다.
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[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경‘광역동 치료(Photodynamic therapy, PDT)’로 암을 고치는 과정에는 광감각제의 역할이 굉장히 중요하다. 광감각제가 빛에 반응해 ‘활성산소(Reactive oxygen species, ROS)’를 만들고, 활성산소가 암세포를 잡기 때문이다. 결국 광감각제가 빛에 얼마나 민감하게 반응해 활성산소를 만드는지가 암의 광역동 치료의 관건이다. 광감각제는 빛을 이용해 주변 산소를 활성산소로 바꾸는 역할을 한다. 그런데 암세포는 일반 세포보다 산소 소모량이 많다. 그만큼 광감각제가 활용할 수 있는 산소량이 적어 생성 가능한 활성산소량도 적을 수밖에 없다. 따라서 광역동 치료로 암세포를 효과적으로 사멸시키려면, 산소가 적은 환경에서도 민감하고 빠르게 활성산소를 만들 능력이 있는 광감각제를 개발하는 것이 중요하다. 기존 광감각제로 많이 쓰이는 화학물질은 ‘포토프린(Photofrin)’이다. 이 물질은 산소 민감도가 좋지 않아 산소 농도가 줄어들면 활성산소 생성 농도가 급격히 줄어든다. 주변 산소를 효과적으로 쓰려면 물질의 ‘삼중항’ 에너지를 잘 이용할 수 있어야 한다. 그러나 포토프린과 같은 순수 유기물질은 삼중항 에너지를 효율적으로 이용하지 못한다. 이번 연구는 이런 한계를 극복할 수 있는 방안으로 이리듐 기반의 유무기 복합체를 이용하는 방법을 제시했다. 또 이리듐 기반의 유무기 복합체가 광역동 치료를 하는 원리를 규명했다. 광활성제를 통해 발생된 활성산소가 어떠한 내부작용을 일으켜 암세포를 사멸시키는지에 대한 작용 기작을 풀어낸 것이다. 이는 광역동 치료 효율을 증대시키는 데 기여할 전망이다. |
2. 연구내용‘본 연구진은 합리적인 분자 디자인 전략을 바탕으로 이리듐 복합체를 합성했다. 이 물질로 광역동 치료도 효과적으로 이뤄냈으며, 이 과정이 어떻게 진행되는지 작용기작도 찾아냈다. 먼저 확실한 분자 디자인 전략을 확립하기 위해, 청색부터 적색까지의 빛을 내는 총 4가지의 이리듐 복합체(TIr1: 청색, TIr2: 녹색, TIr3: 주황색, TIr4: 적색)를 합성했다. 4가지 물질 중 적색 영역의 빛을 내는 물질들(TIr3, TIr4)이 효과적이고 빠른 광역동 치료 결과를 보였다. 이에 대한 증명은 물질에 따른 에너지 수준 변화와 활성산소 분석으로 진행했다. 기존에 보고된 이리듐 복합체 색상 조정(Color-tuning) 방법을 이용해 다양한 색상을 띠도록 합성된 이리듐 복합체들은 순환-전류 전압(Cyclic voltammetry, CV) 측정법으로 바닥 상태와 들뜬 상태의 에너지 차이가 TIr1에서 TIr4로 갈수록 점차 줄어듦을 확인했다. 또한 일중항 산소(singlet oxygen)의 생성 정도를 판단하는 9 10-anthracenediyl-bis(methylene)dimalonic acid(ABDA) 물질과 초과산화물 라디칼(superoxide radical)을 판단하는 물질인 Dihydrorhodamine(DHR) 123 물질을 이용해 분석했다. 그 결과, 기존 광활성제인[Ru(bpy)3]2+ (일중항 산소 생성 효율=0.18) 대비 TIr3와 TIr4(일중항 산소 생성 효율=0.78(TIr4)/0.97(TIr3))가 좋은 활성산소 발생 능력이 있음을 확인했다. 이는 이리듐 복합체 광감각제를 이용할 때 적색 영역의 빛을 잘 쓸 수 있도록 디자인하는 게 좋은 광역동 치료를 위한 첫걸음이라는 걸 함축한다. 광역동 치료를 진행할 때 이리듐 복합체가 생체 내에서 발생시키는 확실한 작용기작이 어떠한지를 밝혀내는 연구도 진행했다. 이 부분에서는 크게 광교차결합에 의한 단백질 응집과 활성산소에 의한 단백질 산화에 초점을 맞췄다. 발광 영역이 적색 영역으로 움직임에 따라 여러 단백질들을 산화시키며 광교차결합을 일으키는 정도가 크게 증가했다. 이는 단백질 응집을 일으켜 단백질들의 본래 기능을 크게 저하시킬 수 있음을 시사한다. 추가적으로 질량 분석법을 통해 세포 안에서 중요한 기능을 하는 주요 단백질들 (PYCR1, TRAP1)이 산화됨을 확인해 단백질 산화에 의한 세포 사멸의 가능성을 보여줬다. 이러한 반응들은 단백질을 생산해내는 소포체와 세포의 에너지를 공급하는 미토콘드리아에서 주요하게 발생했다. 이 덕분에 기존에 보고된 이리듐 복합체들보다 암세포를 죽이는 데에 훨씬 높은 효율성을 나타냈다. 상응하는 광교차 결합과 산화단백질에 대한 실험결과는 질량분석법과 웨스턴 블랏(Western blot)을 통해 진행됐다. 모든 결과들은 이리듐 복합체의 광역동 치료에 대한 작용 기작을 잘 보여줬다. |
3. 기대효과‘이번 연구에서 핵심이 되는 3가지 사실은 (i) 광역동 치료를 위한 분자 디자인 전략 확립 (ii) 이광자 여기를 통한 광역동 치료의 가능성 확인 (iii) 이리듐을 기반으로 한 광역동 치료에서의 작용 기작 증명이다. 분자 디자인 전략 확립과 이리듐을 기반으로 한 광역동 치료의 작용 기작 증명은 광역동 치료를 위한 이리듐 복합체 개발에 올바른 방향성을 제시하면서 추후 연구의 효율성을 높여 줄 것이다. 또한 이광자 여기를 통한 암세포 사멸은 몸속 깊이 자리 잡아 치료하기 어려운 암들을 고칠 수 있는 가능성을 보여준다. 이외에도 이리듐 복합체의 추가적인 물질(ex. 과황상암모늄)없이 발생하는 단백질 광교차결합은 차후 생물학 분야에 있어서도 좋은 화학적 도구로 사용될 것으로 예상된다. |
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[붙임] 용어설명 |
1. 광역동치료(Photodynamic therapy, PDT)빛과 광활성 화학 물질을 이용한 치료의 한 방법이다. 사용되는 광활성 화학 물질은 빛에 의해 주변 산소를 활성산소로 바꾸어 세균이나 암세포를 사멸시킨다고 알려졌다. 2. 활성산소(Reactive oxygen species, ROS)활성산소는 넓은 범위로 산소를 포함하고 있는 반응성 좋은 화학물질의 종류들을 포괄한다. 대표적으로 과산화물 (peroxides), 초과산화물(superoxide), 히드록실 라디칼(hydroxyl radical), 그리고 일중항산소(singlet oxygen)이 있다. 3. 삼중항 에너지(Triplet state energy)분자에서 전 스핀 각 운동량의 양자수(S)가 1로 되는 전자상태의 에너지 준위를 삼중항 에너지라고 한다. 일반적으로 순수 유기물질의 경우에는 삼중항 에너지를 효과적으로 이용하지 못하지만, 금속기반 물질의 경우에는 삼중항 에너지를 효과적으로 이용할 수 있기 때문에 활성산소를 효율적으로 만들어 낼 수 있다. 4. 광교차결합(Photo-cross-linking)단백질과 단백질 사이에서 공유결합이 ‘빛’을 통해 일어나는 현상을 광교차결합이라 한다. 광교차결합의 정도가 증가하면 할수록 단백질의 응집(aggregation)이 심해져 단백질의 기능 장애가 일어날 수 있다. 5. 이광자 여기(Two-photon excitation)동일하거나 다른 진동수를 가진 두 개의 광자가 동시다발적인 흡수의 과정이 진행되면서 분자가 들뜬 상태로 전이되는 것을 말한다. 일반적으로 분자가 들뜨는 과정은 보통 하나의 광자에 대한 흡수로 진행되는데, 이광자 여기의 경우에는 일반적이지 않은 특징으로 본 특성을 가지는 물질은 상대적으로 많지 않다. 이광자 여기가 가능하게 되면 일반적인 단일광자 여기에 약 2배 정도 되는 긴 파장 영역대를 사용할 수 있다. 이는 생물학적으로 에너지가 큰 빛의 파장으로 인한 손상을 최소화시킬 수 있다는 점에서 의미가 있다. 또한 긴 파장 영역의 사용은 더 깊은 영역까지 탐침할 수 있게 만들어주어, 깊은 생체 내로의 적용을 효과적으로 이끌어 낼 수 있다. 6. 에너지 전이(Energy transfer)빛에 민감한 두 물질 사이에서 쌍극자-쌍극자 상호작용을 통해 에너지 주게(energy donor)에서 에너지 받게(energy acceptor)로 에너지가 전달되는 현상을 에너지 전이라고 한다. 에너지 전이의 효율은 에너지 주게와 에너지 받게의 잘 맞는 에너지 레벨과 에너지 주게의 양자효율에 의해 결정된다. 7. 억제중간값(IC50 value)실제 약이나 다른 물질들이 특정 생화학적 기능을 억제하는 데 얼마나 효율이 있는지를 보여주는 값이다. 본 연구에서는 암세포의 생존율이 50% 될 때의 이리듐 복합체의 농도로서 나타난다. 8. 단일전자과정(One-electron process)전자전이(electron transfer)에 의해서 개시되며, 하나의 전자가 다른 물질로 움직이는 과정을 말한다. 본 연구에서는 이리듐 복합체에서부터 주변 산소로의 전자전이 과정과 주변 단백질의 티로신(Tyrosine, Tyr) 잔기로부터 산화된 이리듐 복합체로의 전자전이 과정이 단일전자과정을 묘사해 준다. |
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[붙임] 그림설명 |
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그림 1. 이광자(Two-photon) 활성 능력을 가진 이리듐 복합체를 이용한 광역동 치료의 작용기작. 광활성제인 이리듐 복합체는 활성산소의 발생 능력이 우수하다. 이는 암세포에서 단백질 산화와 교차결합(cross-linking)을 일으켜 세포 사멸을 이끌어 내는 것으로 생각된다.
그림 2. 특정 세포 소기관 근처에 존재하는 이리듐 복합체의 광활성화를 통한 단백질 변형 모식도 및 이광자 이미지
그림 3. 이리듐 복합체의 광학 및 전기화학적 특징 분석 및 이리듐 복합체의 에너지 레벨과 일중항산소(singlet oxygen, 1O2) 생성의 상관관계
그림 4. 이리듐 복합체에 의해 유도된 세포 사멸 및 세포 형태 변화 실시간 추적
그림 5. 활성산소 생성 정도 측정 및 이리듐 복합체의 광활성화를 통한 광교차결합(Photo-cross-linking) 확인
그림 6. 이중질량분석법(Tandem mass spectrometry, MS/MS) 이용한 TIr3의 광활성에 의해 산화된 단백질 검출과 공초점현미경 통한 TIr3의 주요 위치 확인
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