[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

활성산소종(reactive oxygen species, ROS)은 강한 산화력을 기반으로 차세대 암 치료법인 광역동 치료(photodynamic therapy, PDT)를 비롯하여 박테리아 및 오염물 제거 연구에 활발히 사용되고 있다. 광감각제1)에 의해 생성되는 활성산소종 중에서 에너지 전이로 생성되는 일중항산소(1O2)2)는 전자전이를 통해 생성되는 라디칼형(짝 잃은 잉여 전자를 갖고 있어, 짝을 맞추기 위한 산화력이 큰 산소)활성산소 superoxide radical (O2•−),, 과산화수소(H2O2)) 대비 두드러진 산화력을 보이는 강점이 있다.

하지만 일반적으로 대부분의 분자들이 일중항 상태(전자의 물리량인 스핀 상태를 이를 말)를 가지는 것과는 달리 공기 중 산소분자는 삼중항 바닥 상태(3O2)를 갖는다. 이 때문에 에너지 전이를 가능하게 하기 위해선 먼저 광감각제가 삼중항 들뜬 상태로 변해야 한다. 따라서 광감각제의 일중항 들뜬 상태에서 삼중항 들뜬 상태로 변환하는 과정 (intersystem crossing, ISC)의 효율을 높이는 다양한 방법들이 고안돼 왔다. 전자의 스핀 상태 변화가 자유로운 중금속을 도입하는 디자인 전략이 대표적이다. 하지만, 중금속과 방향족 리간드로 구성된 광감각제들은 낮은 수계용해도와 불안정성뿐만 아니라 심각한 세포 독성으로 인해 각종 활용 방법들에 사용이 제한적이었다.

2. 연구내용

본 연구에서는 ‘스핀 플립 기반 전자 전이 (Spin-flip-based electron transfer)’3)를 통해 중금속과 방향족 리간드 없이 생체 적합한 고분자(hyperbranched polyaminoglycerol, hPAG)를 이용한 일중항 산소를 생성하는 경로를 보고하였다.

산소분자와 고분자 광감각제 사이의 거리를 가까이하기 위해 아민의 고립 전자쌍(lone pair)이 산소분자와 높은 상호작용을 가지는 것에서 착안하여 생체 적합한 폴리글리세롤 기반의 지방족 고분자에 아민기(질소가 포함된 작용기)를 도입하였다. 또한 고분자 광감각제의 형태를 초분기형(hyperbranched, 고분자 사슬 백본에 곁가지가 많은 구조로 3차원 구조 형성에 유리함)으로 조절함으로써 3차원 공간에서 산소분자와의 수소결합을 유도하였고, 추가적인 상호작용을 형성시켰다. 한편, 초분기형 hPG는 여러 개의 하이드록실 작용기를 가진 폴리에테르 백본으로 구성되고 우수한 생체적합성을 나타내는 독특한 3차원 구조로 인해 생물학 및 생물의학 응용 분야에서 상당한 주목을 받았다.

위의 두 상호작용을 통해 산소분자가 고분자 광감각제 네트워크에서 3Å 내에 캡슐화되었음을 확인하였고, 이 거리에서 새로이 형성된 hPAG···O2 네트워크는 고분자 광감각제로부터 산소분자로의 직접전자전달(direct electron transfer)을 가능하게 했다.

개발한 물질은 우수한 수계용해도를 가지며 이와 동시에 산소분자와의 상호작용을 통해 기존 지방족 고분자에서는 발견되지 않았던 자외선- 가시광선(UV-visible) 영역에서의 흡광과 발광을 보여주었다. 특이한 광학적 특성으로 인해 hPAG는 태양광 조사 시, 전자 전이를 통해 생성되는 type I 활성산소 중 superoxide radical (O2•−)을 생성하는 것을 확인하였고, 추가로 일중항산소를 생성함을 확인하였다. Cyclic voltammetry (CV) 분석법을 통해 hPAG의 산소분자와의 상호작용을 확인하였고, superoxide radical (O2•−)과 과산화수소(H2O2)의 생성 전위를 확인하였다.

추가로, 밀도범함수 이론(Density functional theory, DFT)4)을 통해 산소분자가 hPAG의 아민기로부터 3Å의 매우 가까운 거리에서 안정하게 상호작용하는 것을 계산했다. 이러한 상호작용으로 인해 형성되는 새로운 전자전이 오비탈(natural transition orbitals (NTOs))인 hPAG···O2 네트워크는 삼중항 바닥상태를 가지는 것으로 확인됐다. 이 상태에서 광 여기(photoexcitation)후에 형성되는 삼중항 들뜬상태 중 가장 낮은 에너지 레벨(T1/T2)은 일중항 들뜬상태(S4/S5)와 가까이 위치하여 스핀 플립 과정을 가능하다. 이로 인해 형성된 일중항 들뜬상태가 에너지를 방출하면서 일중항산소를 방출하는 과정(hPAG + 1O2)이 자발적으로 일어나는 것임을 확인하였다.

형성된 일중항 산소에 의한 암세포 및 박테리아 제거 효과를 확인한 결과, 빛을 조사하지 않은 조건(hPAG+ hv-) 혹은 아민기가 없는 hPG를 투여한 조건(hPG+ hv+)의 경우, 암세포와 박테리아 모두 통제조건과 큰 차이 없는 성장 속도를 보였다. 반면 hPAG를 투여하고 빛을 조사하였을 때, 암세포와 박테리아 모두 성장 속도가 절반 정도로 감소하는 것을 검출하였다. 위 실험들을 통해 개발한 hPAG 광감각제는 빛이 없는 조건에선 매우 높은 생체적합성을 보이지만 빛을 조사할 경우 항암 및 항박테리아 효과를 보인다는 것을 입증하였다.

3. 기대효과

본 연구는 (1) 초분기형 고분자의 아민기와 산소분자 사이의 상호작용을 향상시켜 광감각제에 중금속을 포함하지 않고도 일중항 산소를 생성하였으며, (2) DFT 계산을 통해 생성 메커니즘을 도출했을 뿐만 아니라 (3) 고분자 광감각제의 높은 생체적합성을 비롯하여 광반응성 항암 및 항생 효과 또한 확인하였다. 생체 적합 고분자를 통한 일중항 산소 메커니즘은 기존 광감각제들의 낮은 수계안정도 및 용해도, 높은 세포 독성 등의 한계를 극복할 수 있는 새로운 광감각제의 디자인 전략을 수립하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 광감각제 (photosensitizer)

광활성에 의해 활성산소를 생성할 수 있는 물질.

2. 일중항 산소 (Singlet oxygen)

활성산소 중 광감각제로부터의 에너지 전이에 의해서 발생하는 유일한 활성산소. 하지만 본 연구에서 에너지 전이에 의해서 만이 아니라 화학적 구조를 적절히 이용하면 전자 전이에 의해서도 발생이 될 수 있음을 보여줌.

3. 스핀 플립 기반 전자 전이 (Spin-flip-based electron transfer)

물질간 상호작용에 의해 전자의 스핀이 바뀌는 현상을 포함하는 전자 전이를 의미하며, 본 연구에서 밝혀낸 일중항 산소 생성의 메커니즘.

4. 밀도범함수 이론 (Density Functional Theory)

분자가 가지고 있는 전자의 분포와 에너지를 양자역학적으로 계산함으로써 분자의 구조와 성질과 같은 특성 예측하기 위한 이론의 하나이다.

[붙임]  그림설명

그림 1. 개발한 광감작제(hPAG)를 이용한 (a-b) 암세포 사멸 및 (c-d) 박테리아 증식 억제 효과 확인. 그림(b)에서 빨간색이 죽은 암세포를 말한다. 그림 (d)에서 개발한 광감작제(hPAG)의 세균 감소 효과를 확인할 수 있다.