[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

광역동 치료(photodynamic therapy, PDT)는 암 치료에 빛에 반응하는 물질인 광감각제(photosensitizer)를 사용하는 차세대 치료법이다. 광감각제는 빛을 받으면 활성산소종(reactive oxygen species, ROS)을 만들어내는데, 이 물질의 강한 산화력을 기반으로 암세포 내 산화-환원 균형을 망가뜨리는 원리다. 치료 효율은 광감각제의 활성산소종 생성 효율에 의해 결정된다.

광감각제(유기물)에 중금속을 도입하면 활성산소종 생성이 극대화된다. 이를 중금속 효과(heavy atom effect)라 하는데, 일중항산소(1O2)에서는 그 효과가 더 커진다. 이외에 전자전이로 생성되는 라디칼형 활성산소는 ‘슈퍼옥사이드 라디칼(superoxide radical, O2•−), 하이드록시 라디칼(hydroxyl radical, OH•), 과산화수소(H2O2)’ 등이 있다. 하지만 중금속이 도입된 광감각제는 필연적으로 강한 소수성(물을 싫어하는 성질)을 띤다. 또 중금속 자체 독성으로 낮은 수계 용해도와 세포 독성을 보인다. 따라서 중금속 기반 광감각제는 정상세포에서도 독성을 보여 심각한 부작용을 초래할 수 있다.

반면, 과분지형 폴리에테르 기반 고분자(hyperbranched polyglycerol, PGs)는 끝에 있는 다량의 하이드록시기(hydroxyl group)로 인해 높은 생체 적합성을 가진다. 기본구조(단위체)인 글리시돌(glycidol)에 산화-환원 반응에 민감한 이황화결합 (S-S)을 도입하면 가역반응(reversible reaction)인 티올(-SH)과 이황화결합(S-S) 사이 교환반응(thiol-disulfide exchange)이 계속된다.(두 작용기가 가까울 경우) 이 과정에서 자기가교결합(self-cross-linking)을 통해 ‘나노젤(nanogel, IrNG)’이 합성된다.

일반적으로 ‘이황화결합을 가지는 환원 민감성(reduction-responsive) 나노입자’는 환원성 높은 환경의 세포에서 분해된다고 알려졌다. 이에 기존에는 이황화결합을 통해 나노입자의 암세포 내 수동적 분해(passive degradation)를 유도했다. 하지만 환원 환경의 세기가 정상세포와 암세포 사이에는 큰 차이가 없어 이러한 수동적 분해는 오히려 정상세포에서의 약물 방출을 유도할 수 있다.

2. 연구내용

본 연구에서는 산화-환원 안정적 자기가교결합으로 형성된 나노젤의 소수성 상호작용을 증가시켜, 나노젤 내부의 티올과 이황화결합을 계속 가까이 위치하게 했다. 이를 통해 혈액이나 체액 대비 높은 환원성을 가지는 세포환경(정상세포와 암세포 모두)에서도 가역 반응의 활성화를 유도했다. 그 결과 빛을 주지 않는 어두운 조건에서는 나노젤이 높은 환원 조건에서도 안정적으로 광감각제를 담고 있음을 확인했다.

정상세포(NIH3T3)와 암세포(HeLa, A549)는 빛이 없는 조건에서 광감각제(TIr3)만 투여한 결과와는 달리, 나노젤(IrNG)이 있는 조건에서 높은 생체 적합성(>70% cell viability)을 보였다. 또 동물 종양 모델에서도 빛이 없을 땐 대조군(PBS+hv-)과 종양 성장 속도가 비슷해, 광감각제가 담긴 나노젤은 생체 독성이 없음을 확인했다.

하지만 빛을 주면 나노젤 안에 담긴 광감각제에서 과량의 활성산소가 생성됐다. 활성산소는 티올을 비가역적(irreversible)으로 산화시켜 술폰산기(-SO3⊝)를 형성하므로 정전기적 척력에 의해 나노젤이 곧바로 분해된다. 결국 독성을 가지는 광감각제는 빛이 쪼여진 암세포에서만 활성화하는 것이다. 그 결과로 빛을 받은 암세포에 광감각제만 투여한 결과와 유사한 세포 독성을 나타냈고, 동물 종양 모델에서도 종양성장속도를 현저하게 감소시켰다.

3. 기대효과

본 연구에서는 산화-환원의 가역 반응과 소수성 상호작용을 이용해 어두운 환경에선 독성 광감각제를 담고, 빛을 받은 환경에선 과산화로 인해 분해돼 광감각제를 방출하는 ‘산화-환원 민감성 나노젤’을 보고했다. 빛을 쪼여준 순간 그 위치에서만 독성 광감각제가 활성화되는 것을 정상세포와 암세포, 동물 종양 모델을 통해 확인한 것이다. 또 이를 통해 시공간적으로 광감각제의 독성을 제어할 수 있는 나노입자 분자 디자인을 제시했다.

이번 연구는 그동안 효율이 매우 좋지만, 자체 독성으로 생체 내 적용이 어려웠던 광감각제의 응용범위를 넓힐 것으로 기대된다. 이뿐 아니라 수동적으로 분해돼 원하는 정확한 위치뿐만 아니라 원치 않는 정상세포에서도 분해됐던 이황화결합 기반 나노입자의 암 선택적 분해 능력을 높일 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 광감각제 (photosensitizer)

광활성에 의해 활성산소를 생성할 수 있는 물질.

2. 티올-이황화결합 교환 반응(thiol-disulfide exchange)

교환 반응 중에 산화(deprotonation)된 티올기(R1-S⊝) 중 하나가 이황화결합 (disulfide bond, R2-S-S-R3)에 친핵성 공격(nucleophilic attack)을 하면 중간체 (intermediate, 아래 그림 가운데)가 형성된다. 이때 공격한 티올기(R1-S⊝)가 아닌 다른 한 개(R3-S⊝)는 떨어져 나가고 새로운 이황화결합(R1-S-S-R2)를 남긴다.

3. 활성산소종(Reactive oxygen species)

산소 원자를 포함하는 화학적 반응성이 높은 분자. H2O2, O2·-, ·OH 및 1O2를 포함하며, 세포 내 호흡 과정에서 생성될 수 있다. 생성된 활성산소종은 주변의 단백질, 지방 및 당을 산화하며 세포에 유해한 물질로 작동한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 산화-환원 반응에 따른 나노젤(P-IrNG)의 구조 변화 모식도.

혈액, 체액과 같은 세포 바깥 환경(왼쪽 푸른 바탕)과 암세포(오른쪽 붉은 바탕과 푸른 바탕)에서 나노젤 광감각제 시스템. 광감각제(주황색 입자)가 나노젤에 감싸져 있다가 암세포 환경에서 빛을 쪼일 때 나노젤이 풀어지면서 밖으로 방출되는 모습을 보여준다. 가운데 그림은 정상세포에서 나노젤 모양이 유지되는 산화-환원 가역반응, 오른쪽 그림은 빛을 쪼였을 경우 나노젤이 분해되는 모습.(티올기가 음전하를 띠는 슬폰기로 변하면서 서로 밀어낸다.)

그림2. 어두운 환경에서 높은 안정성을 보이는 산화-환원 반응성 나노젤

(a) 본 연구에 사용된 초분기 고분자 구조와 친수성 세기에 관한 모식도. (b) 사용된 중금속 광감각제(TIr3)의 분자 구조. (c) 어두운 환경에서의 나노젤 구조에 관한 모식도. (d―f) 어두운 환경에서의 세포 생존률 (d, HeLa 암세포; e, A549 암세포; f, NIH3T3 정상세포). (g) 어두운 환경에서의 P-IrNG 나노젤의 수계 사이즈 변화.

그림3. 빛을 받은 환경에서 분해되는 나노젤.

(a) 빛을 받은 암세포 환경에서의 나노젤 구조 변화에 관한 모식도. (b) 세포 내 활성산소 생성 정도를 확인하는 green signal(DCFH-DA 분석). (c) 빛을 받은 HeLa 암세포의 세포 생존률. (d) 2시간째에 빛을 주었을 때 나노젤의 사이즈 변화. (e) 암세포 환경 (환원환경)과 빛의 유무에 따른 광감각제 방출량 비교. (f) 광역동 치료 후 18일 째의 동물 종양 사이즈 비교. (hv-: 어두운 환경, hv+: 빛을 준 환경, 대조군: PBS)