치매를 치료하고 정확한 원인도 파악할 ‘화학도구 설계 기술’이 개발됐다. 이 기술로 만든 분자들은 치매 원인별로 적용할 수 있으며, 동물 실험에서도 효과를 보였다. 치매의 진단과 치료제 개발은 물론 연구에도 기여할 전망이다.

UNIST(총장 정무영) 자연과학부의 임미희 교수팀과 김광수 교수는 서울아산병원의 이주영 교수팀과 공동으로 알츠하이머성 치매의 원인을 골라서 제거할 수 있는 저분자 화합물을 설계하는 ‘화학도구 설계 기술’을 개발했다. 알츠하이머병의 원인으로 알려진 각 요소에 대응하기 알맞은 ‘분자 구조’와 ‘반응 메커니즘’까지 고려해 저분자 화합물을 만드는 전략이다.

최근 10년 사이 알츠하이머 환자는 1000만 명 이상 늘어났다. 하지만 이렇다 할 치료법이 없고, 발병 원인도 명확히 파악되지 않았다. 가설로 제시된 원인은 ‘금속 이온’, ‘아밀로이드-베타 단백질’, ‘금속과 결합된 아밀로이드-베타 단백질’, ‘활성산소종’ 등이다. 최근 연구에서 여러 원인이 복합적으로 작용해 알츠하이머병을 일으킨다고 정리된 정도다.

임미희 교수는 “지금까지 알려진 원인들이 알츠하이머병 유발에서 어떤 역할을 하는지 파악해야 치료제 개발도 효과적일 것”이라며 “이번 기술은 분자 구조와 작용 메커니즘까지 함께 고려해 치료제 개발과 원인 파악에 유용할 것”이라고 설명했다.

임 교수팀은 환자마다 알츠하이머병 유발 요소의 분포가 다르다는 점에 주목했다. 환자들의 혈액이나 뇌 조직에서 각 요소가 동일하게 나타나지 않았던 것이다. 이에 각 요소를 억제하는 최적의 분자를 설계하면 효과적인 치료가 가능하다고 판단했다. 또 이 분자들이 각 원인을 억제하는 과정을 관찰하면 알츠하이머병이 발생하는 구체적인 메커니즘도 명확하게 밝힐 수 있다.

연구진은 알츠하이머병의 각 요소를 억제하는 최적의 분자를 찾았다. 금속 이온과 잘 결합하는지, 아밀로이드-베타 단백질과 어떤 작용을 하는지, 저분자 화합물의 이온화 에너지는 어느 정도인지 등이 고려됐다. 그 결과 총 4개의 분자가 설계됐고, 각 분자가 어떤 메커니즘으로 알츠하이머병 발병 요소의 독성을 억제하는지 규명됐다. 어떤 분자는 아밀로이드-베타 단백질을 산화하거나 분해하는 방식으로 독성을 억제했다. 다른 분자는 아밀로이드-베타 단백질과 금속 이온, 분자로 이뤄진 복합체를 이뤄 독성을 누그러트렸다.

이 분자들은 동물 실험에서도 효과를 보였다. 사람의 치매 유전자를 가진 ‘알츠하이머 마우스 모델(5XFAD)’에 분자들을 주사하자, 뇌 안에 축적된 아밀로이드-베타 종들이 확연히 줄었다. 실험쥐들의 인지능력과 기억력이 개선되는 효과도 확인됐다.

임미희 교수는 “이번 연구로 단순한 화학구조를 변화시켜 알츠하이머병 유발 인자를 골라서 잡을 수 있다는 걸 밝혔다”며 “알츠하이머병의 발병 요소 간의 연관성은 물론 각각의 역할을 규명하는 후속 연구에도 도움이 될 것”이라고 말했다.

임 교수는 이어 “기존 화학도구 설계에서는 화합물 구조만 이용했지만, 이번에는 메커니즘까지 고려해 정확도를 높였다”며 “저분자 화합물을 이용해 합리적인 화학도구를 만드는 새로운 원리를 제시했다는 점에서도 큰 의미가 있다”고 강조했다.

이번 논문은 세계적으로 저명한 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 10월 13일자(현지시각)에 게재됐다. 이번 연구는 UNIST 미래전략과제와 한국연구재단 등에서 지원받아 진행됐다.  (끝)

• 논문명: Structure-mechanism-based engineering of chemical regulators targeting distinct pathological factors in Alzheimer’s disease |Nat. Comm., 2016. 7. Article No: 13115

연구개요 (대표그림)

저분자 화합물로 구성된 화학도구(1~4)의 구조와 그들이 조절할 수 있는 치매 발병기작들: 생화학과 생물리학(예: 질량분석), 계산 연구를 조합해 저분자 화합물과 치매 발병 기전 사이의 작용 메커니즘 규명했다. 이는 구조-기작 기반의 알츠하이머병 연구를 위한 화학도구 개발을 위한 기술이 확립됐음을 의미한다.

그림 1. 화합물(1~4)의 구조와 치매 발병 기작 억제 가능 범위, 각 분자의 산화 전위 계산값: (c)와 (d) 연구 결과 분석을 통해 화합물 2가 가장 산화되기 힘든 분자임을 알 수 있다.

(a) 화합물의 분자 구조와 억제 가능한 치매 발병 기작

(b) p-페닐렌다이아민의 산화 과정 모식도

(c) 양이온 라디칼이 갖는 SOMO

(d) b 과정에서 그려진, 기체와 수용액 상태의 이온화 에너지 계산 값

그림 2. 아밀로이드 베타 응집에 대한 화합물들의 효과

(a) 아밀로이드 베타의 아미노산 염기서열

(b) 응집 억제 실험 모식도

(c, e, f) 젤 전기영동을 통한 아밀로이드 베타의 분자량 분포 비교 분석: 화합물을 넣지 않은 대조군 C와 비교했을 때 검은 색 늘어진 밴드를 보이면 아밀로이드 베타 응집 경로를 억제했다고 해석된다. 화합물 1은 구리 이온이 존재할 때, 화합물 2는 구리 이온이 고농도로 존재할 때, 화합물 3은 구리 이온이나 아연 이온이 존재할 때, 화합물 4는 금속 이온이 존재할 때와 존재하지 않을 때 반응성을 보였다.

(d) 투과형 전자 현미경(TEM)을 통한 아밀로이드 베타 응집체들의 구조 및 형태 비교분석: 전기영동에서 반응성을 보였던 화합물들은 응집체의 구조변화 또한 관찰되었다. 메탈-프리 조건에서는 화합물 4가, 구리이온[Cu(II)] 조건에서는 화합물 1, 3, 4가 그리고 아연이온[Zn(II)]조건에서는 화합물 3, 4가 각각 구조적 변화를 보였다. 구조적 변화는 피브릴로 보이는 물체들이 훨씬 작은 크기로 존재하고 있었으며 이는 화합물들이 아밀로이드의 응집과정을 조절한 것으로 보인다.

그림 3. 화합물의 생물학적 효과

(a) 화합물의 항산화 능력: 대조군 Trolox(비타민 E 유사체)에 비해 화합물1~4는 ABTS 양이온 라디칼을 감소시켜 항산화 능력을 확인했다. 산화 전위가 높은 화합물 2는 화합물 1, 3, 4에 비해 라디칼 생성 억제 능력이 낮다.

(b) 구리 이온에 의한 활성산소 발생 억제: 화합물 1, 2, 3은 구리 이온에 의해 유도되는 H₂O₂ 발생량을 거의 절반 이하로 억제할 수 있다. (*화합물 4는 이 실험 조건에서 용해도가 낮아 실험하지 못했다.)

(c) 화합물의 세포 내 독성: 금속 이온의 존재 유무에 따른 화합물의 세포독성을 확인했다. 세포에 금속 이온과 화합물을 넣어 24시간동안 배양했을 때 화합물 1, 2는 100%에 가까운 세포 생존율을 보였다.

(d, e) 아밀로이드 베타가 있을 때 화합물 1, 2의 세포독성: 아밀로이드 베타와 화합물1, 2를 함께 배양했을 때, 세포 생존율이 높아지는 것으로 보아 화합물 1, 2가 아밀로이드 베타에 의한 독성을 억제하는 것으로 해석된다.

그림 4. 화합물 1의 생체 내 효능

(a) 뇌 내 아밀로이드 베타 축적량을 감소시키는 화합물 1의 효과: 5XFAD 모델 유전자 변형 쥐는 사람의 치매 유전자를 가지고 있는 모델로 아밀로이드 베타 축적량이 정상 범위를 넘어선다. 화합물 1을 투여한 쥐의 뇌에는 아밀로이드 베타의 양이 감소한 것을 확인했다.

(b) 인지능력 및 기억력 회복시키는 화합물 1의 효과: 모리스 물 미로 실험를 통해 화합물 1을 반복적으로 투여한 쥐의 인지 능력과 기억력이 정상 범위로 회복된 것을 관찰했다.

그림 5. 전자분무 이온화 질량분석법과 이온이동도 분석법을 이용한 메커니즘 분석

(a,d) 각 화합물에 따른 아밀로이드 베타 단량체의 질량분석: 화합물을 넣지 않은 대조군(검정)과 비교했을 때 화합물 1, 3(초록, 주황)을 넣은 시료에서는 89 Da만큼 가벼운 아밀로이드 베타가 관찰되었다. 화합물 2(보라)은 아밀로이드 베타-구리-화합물 간의 삼성분 복합체가 발견되었다. 또한, 화합물 4(빨강)는 복합체를 형성하지 않았지만, (d) 조건에서는 아밀로이드 베타를 산화시켰으며 화합물이 분해된 형태(BQ)가 단백질과 공유결합을 이룬 것이 발견되었다.

(b) 이동시간과 m/z 비교분석 결과

(c) 아밀로이드 베타 컴플렉스의 이동 분포: 특정 m/z를 가진 이온들은 이온이동도 분석법(IM-MS)을 통해 충돌단면적(Collision Cross Section, CCS)에 따른 이동시간(drift time) 분포에 따라 그 응집 정도를 예측할 수 있다. 위 실험 결과에 따르면, 화합물 2의 삼성분 복합체의 수축으로 인해 검출기에 도달하는 이동시간이 짧아진 것을 관찰했다. 이는 화합물 2가 삼성분 복합체 형성 메커니즘을 통해 아밀로이드 베타의 모양을 변화시켜 금속-아밀로이드 베타의 반응성을 조절할 수 있다고 해석된다.

그림 6. 구리 이온에 의한 SN2 가수분해 계산 결과와 화합물 작용 메커니즘 제시

(a) 구리 이온에 의한 SN2 가수분해 계산에 사용된 모식도

(b) 화합물 2의 가수분해 중간체 구조

(c) 화합물 4의 가수분해 중간체 구조

(d) 가수분해 활성화 에너지: 화합물 4의 질량 분석 실험결과를 뒷받침하기 위해 결합 에너지를 계산했다. 네 개의 화합물 중, 화합물 4의 가수분해에 필요한 에너지가 가장 낮을 것으로 예상된다. 이 계산을 통해 화합물 4가 BQ로 분해되어 아밀로이드 베타와 상호작용을 한다고 설명할 수 있다.

(e) 아밀로이드 베타와 화합물 간의 서로 다른 작용 메커니즘: (Pathway A) 화합물 1, 3은 아밀로이드 베타와 구리이온과 함께 삼성분 복합체를 형성한다. 그 후, 화합물 산화로 인해 발생한 양성자 라디칼이 구리 이온과 상호작용하여 아밀로이드 베타를 산화시키거나 분해하는 것으로 보인다. (Pathway B) 화합물 2는 산화 전위가 높아 화합물 1, 3과는 다른 메커니즘으로 아밀로이드 베타 응집을 억제하는 것으로 생각된다. 화합물 2는 구리-아밀로이드베타와 비교적 안정한 삼성분 복합체를 형성하여 응집 경로를 변경시킬 수 있다. (Pathway C, D) 화합물 4는 가수분해를 통해 다른 형태의 분자로 변한 뒤, 아밀로이드 베타와 컴플렉스를 이루는 것으로 예측된다. DMPD는 이전 연구에서 BQ 형태로 아밀로이드 베타와 공유결합을 하거나 단백질을 산화시키는 것으로 발표되었는데, 이와 같은 양상으로 화합물 4 또한 BQ로 변형되어 아밀로이드 베타 응집을 억제하는 것으로 예상된다.