Press release

2023. 3. 23 (목) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

실명 유발하는 망막혈관폐쇄질환 치료법의 실마리 발견했다!

조재흥 UNIST 교수팀, 일산화질소 전달을 이용한 혈관 확장 조절법 개발
빛반응 선택적 혈관확장 효과로 응급질환 치료 가능성 제시… Chem 게재

혈관은 생체 내에서 산소와 영양소를 운반하는 통로로, 혈관이 막히면 심한 장기 손상을 유발할 수 있다. 특히 망막혈관폐쇄질환은 전조 증상 없이 갑작스럽게 실명으로 이어질 수 있는 응급질환이다. 지금까지 일반적으로 사용되어 온 물리적 안구마사지나 항체 주사 등의 치료법은 효과적이지 않고, 수술적 치료법인 혈전용해술은 부작용이 발생할 수 있다.

UNIST(총장 이용훈) 화학과 조재흥 교수팀, 서울아산병원 안과 이준엽 교수팀 그리고 KAIST 백무현 교수팀은 망막혈관폐쇄질환의 새로운 치료법을 찾기 위한 공동연구를 진행했다. 연구팀은 선택적인 일산화질소 전달체로서 안정적인 ‘철–일산화질소 복합체’를 개발에 성공했다. 이를 활용한 동물모델 실험에서 혈관이 확장되고 폐쇄된 혈관의 흐름이 복구되는 것을 확인했다.

일산화질소는 우리 몸 안에서 다양한 생리학적 기능을 수행하며, 혈관 확장, 면역기능 조절, 뇌신경 가소성 등 많은 역할을 한다. 특히, 일산화질소로 인한 혈관 확장 작용은 혈관 내부의 근육을 이완시켜 혈액의 흐름을 원활하게 만들어 혈압을 낮추는 효과가 있다. 따라서 일산화질소는 혈관 질환 예방 및 치료를 위한 주요 성분으로 사용되고 있다. 하지만 일산화질소의 불안정한 특성으로 인해 사용에 많은 제약 따른다.

지금까지 불안정한 일산화질소를 전달하기 위해 다양한 연구가 진행됐다. 하지만 화합물에 독성이 존재하고 일산화질소의 전달을 조절하는 것이 어려워 막힌 혈관이 선택적으로 복구되는 것을 관측하지는 못했다. 이를 밝혀보고자 연구팀은 생체 내에 존재하는 일산화질소 결합 단백질의 활성 자리를 모방한 철–일산화질소 복합체를 합성했다. 화합물에 빛을 비춰 원하는 시간에, 특정 부위로 일산화질소를 전달했다. 이를 통해 막힌 부위의 혈관이 확장해 효과적으로 흐름을 복구하는 것이 가능하게 됐다. 이 실험을 통해 연구팀은 동물모델에서 시공간적인 일산화질소 전달 조절이 가능하다는 것을 증명했다. 특히 이번 연구는 안전한 혈관폐쇄질환 치료제를 개발하는 데 핵심적인 역할을 할 것으로 전망된다.

조재흥 UNIST 화학과 교수는 “최근 고령화된 사회로 인해 혈관폐쇄 질환이 급증하고 있으며, 안전하고 효과적인 혈관치료제가 더욱 중요해졌다”며 “이번 연구에서는 생체 내에서 혈관을 확장하는 역할을 하는 일산화질소를 생체 모사를 통해 안정화시켜 사용에 어려움이 있던 문제를 해결하고, 외부 자극을 통해 필요한 양을 선택적으로 전달하여 급성 혈관폐쇄 질환을 치료할 수 있는 가능성을 확인했다. 이는 이전에 없던 혁신적인 치료 방법(first-in-class)으로, 향후 많은 환자들에게 도움이 될 것으로 기대한다”고 전망했다.

이준엽 서울아산병원 안과 교수는 “망막혈관폐쇄 질환은 흔한 시력 상실 질환임에도 불구하고 그동안 효과적인 치료법이 없었다”며 “이번 연구를 통해 증명한 혈관확장제의 안구 내 투여 후 빛을 이용한 치료 효과의 세밀한 조절은 즉각적인 재관류를 유도하여 시력을 보존할 수 있을 뿐만 아니라 잠재적인 부작용을 예방할 수 있는 좋은 방법이다. 이를 바탕으로 응급실이나 진료실에 내원하는 혈관폐쇄 환자들에게 조만간 근본적인 치료를 권할 수 있기를 희망한다”고 전했다.

이 연구는 UNIST 조재흥 교수 연구팀 최지수 석박통합과정학생과 서울아산병원 이준엽 교수 연구팀 김수진 박사과정학생, KAIST 백무현 교수 연구팀 김준형 석박통합과정학생이 공동 1저자로 참여했다. 연구 수행은 한국연구재단이 주관하는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구자)와 선도연구센터인 자성기반라이프케어연구센터사업, 기초과학연구원(IBS)의 지원으로 이뤄졌으며, 연구결과는 2023년 3월 16일 저명 국제학술지인 셀(Cell)의 자매지인 ‘켐(Chem)’에 발표됐다.

(논문명: Photodynamic treatment of acute vascular occlusion by using an iron–nitrosyl complex)
자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

화학과: 조재흥 교수 (052)217-2676
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  • [연구진] 이번 연구에 참여한 연구진의 모습. 왼쪽부터 조재흥 교수, 최지수 연구원
  • [연구진] 서울아산병원 이준엽 교수
  • [연구진] 서울아산병원 김수진 연구원
  • [연구진] KAIST 백무현 교수
  • [연구진] KAIST 김준형 연구원
 

[붙임] 연구결과 개요
1. 연구배경

우리 몸의 혈관이 막히면 조직에서 산소와 영양분의 공급이 어려워 장기 손상을 초래하고, 심각한 응급 상황으로 이어질 수 있다. 이에 대한 대처를 위해 기존의 몇 가지 혈관확장제와 혈전 용해제를 이용한 치료들이 사용됐지만, 이러한 방법들은 반응 시간이 느리고 정확한 조절이 어려운 점 때문에 혈관 질환의 치료에는 많은 어려움이 존재한다.

생체 내에서 일산화질소는 혈관을 확장하는 역할을 하며, 혈관 질환의 치료를 위한 매우 중요한 분자이다. 그러나, 불안정한 일산화질소를 직접 투여하는 것은 제한이 있어, 안정한 상태의 일산화질소 전달체를 이용한 치료연구가 진행되고 있다. 연구팀은 일산화질소 전달체로서 금속과 일산화질소가 결합한 금속–일산화질소 복합체를 합성하고, 복합체의 광학 반응을 통한 빠른 일산화질소 방출을 설계했다.
2. 연구내용

연구팀은 일산화질소 전달체로 생체 내에 적합하고, 빛에 의해 일산화질소를 방출할 수 있는 철–일산화질소 복합체를 개발했다. 철은 생체 내 효소에 많이 존재하는 원자로 생체 적합성이 높으며, 거대고리 리간드를 이용해 체온과 공기 중에서도 구조의 안정성을 유지할 수 있고 빛에 의한 선택적 일산화질소 해리를 가능하게 설계됐다. 합성된 철–일산화질소 복합체는 자외선–가시광선 흡수선, 적외선 흡수선, 전자 상자성 공명 등 다양한 물리화학적 특성들을 나타냈다.

화학적으로 안정한 철–일산화질소 복합체에 빛을 조사함으로써, 선택적 일산화질소 해리를 유도하고 광화학 양자수율을 구했으며, 밀도 범함수 이론을 통하여 철–일산화질소 화합물의 빛 반응 시 철에서 일산화질소로 전자의 이동이 일어남을 확인했다.

생체 내에서 광학적 접근이 가능한 안구에 합성된 철–일산화질소 복합체를 처리하여, 동물모델에서의 망막 혈관이 확장되었음을 확인했으며, 인공적으로 폐색을 유발한 망막 혈관에 선택적 일산화질소 전달을 일으켜 효과적인 재관류를 확인했다. 이번 연구를 통해, 빛 감응이 가능한 일산화질소 전달체를 활용하여 혈관폐쇄질환 치료제로서의 가능성을 확인할 수 있었다.
3. 기대효과

이번 연구를 통해, 생체 내에서 안정적이고 생체적합성이 높으며 빛에 의한 시공간적으로 일산화질소 공급이 가능한 철–일산화질소 복합체를 개발했고, 개발된 철–일산화질소 복합체를 통해 동물모델의 혈관 확장 및 재관류를 관찰했다. 이러한 결과는 효과적인 혈관폐쇄질환 치료제 개발의 가능성을 제시하며, 심혈관계 및 뇌혈관계　질환을 포함한 응급혈관질환에 전례 없이 선택적이고 조절할 수 있는 치료 방법을 제시한다.
 

[붙임] 용어설명
1. 망막혈관폐쇄질환 (Retinal vascular occlusion)

망막을 혈액으로 공급하는 혈관이 막혀서 망막에 산소와 영양분을 공급할 수 없게 되는 질환이다. 일반적으로 동맥 혹은 정맥에 발생할 수 있으며, 시력 상실의 주요 원인 중 하나이다. 원인으로는 노화, 당뇨병, 고혈압 등과 같은 많은 요인들과 관련이 있다.
2. 일산화질소 (Nitric oxide, NO)

생체 내에서 중요한 신호분자로 작용하는 기체분자로, 질소 원자 하나와 산소 원자 하나로 이루어진 화합물이다. 일산화질소는 혈관의 평활근을 이완시켜 혈관 내 혈액의 유동성을 증가시키고 혈관을 확장함으로써 혈압을 낮추는 역할을 한다. 또한 면역체계와 뇌신경전달물질 등에도 영향을 미치는 다양한 생리 활동을 수행한다.
3. 금속–일산화질소 복합체 (Metal–nitrosyl complex)

일산화질소 분자가 리간드로서 전이 금속에 결합한 배위화합물이다.
4. 폐색 (Obstruction)

혈관이나 내강을 이루는 관이 막혀 혈액이 흐르지 못하는 상태이다. 혈관 폐쇄로 인한 폐색은 심혈관계 질환의 일종으로, 혈액 순환 장애, 심장 마비, 심근경색 등을 일으키는 원인이 될 수 있다.
 

[붙임] 그림설명

그림1. 시공간적 일산화질소 전달을 통한 혈관폐쇄질환 치료 반응 도식

금속–일산화질소 복합체는 불안정한 일산화질소를 안정화시켜 운반할 수 있는 전달체로 알려져 있다. 새롭게 개발한 철–일산화질소 복합체를 이용하여 망막 혈관의 확장과 막힌 혈관의 재관류를 확인했다. 연구를 통해 효과적인 혈관폐쇄질환 치료제 개발의 가능성을 제시했다.
 
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