나노기술 및 정책 정보

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나노효소는 자체적으로 효소학 특성을 포함하고 있는 나노소재로서 천연 효소와 같이 온화한 조건 하에서 촉매 효소의 기질로서 천연 효소와 동일한 효소 추진 반응 동력학과 반응 메커니즘을 나타내는 동시에 천연 효소 대체물로 질병을 검출할 수 있음. 최근 학술계에서 발견한 나노효소는 산화환원 효소 활성을 함유하고 있기 때문에 세포 중의 활성 산소를 조절하는데 예를 들면 촉매 종양 부위의 H2O2는 히드록실(hydroxyl)기 자유기를 생성시켜 종양 세포의 쇠망을 발생시키는 것으로 나타났음.

하지만 종양 부위 H2O2의 농도가 제한되어 있는 동시에 나노효소와 기질 H2O2의 친화력이 비교적 낮기 때문에 발생하는 히드록실기 자유기는 일반적으로 종양을 효과적으로 치료하지 못하는 상황임. 나노효소를 이용한 종양 치료 응용은 현재 다음과 같은 두 가지 문제에 직면하여 있는데 하나는 "어떻게 하면 나노효소와 기질인 H2O2의 친화력을 향상시킬 수 있을 것인가"라는 문제이고, 다른 하나는 "어떻게 하면 종양 세포 중의 H2O2 농도를 향상시킬 수 있을 것인가"라는 문제임.

중국과학원 원사(院士)이며, 중국과학원 생물물리 연구소 연구원이며, 중국과학원 "나노 효소 공정 실험실" 연구원인 옌시윈(閻錫蘊, 염석온) 박사 연구팀은 신형 나노효소인 황철광(FeS2) 나노효소를 디자인 하는데 성공함.

연구팀이 디자인한 나노효소는 H2O2 기질과 결합하는 친화력이 극히 높고, 촉매 H2O2의 효율(kcat/KM)이 전통적인 Fe3O4 나노효소보다 4,144배나 높고, 천연 호스래디시(horseradish) 과산화물보다 3086배나 높다는 점을 발견하였음.

연구팀은 제1성 원리 계산 방법을 통해 관련 원인을 분석함. 전통적인 Fe3O4 나노효소에 비해 황철광(FeS2) 나노효소는 기질 H2O2 상호 역할을 발휘할 때 배위와 결합된 공유 원자가 키보다 더욱 짧다는 점을 발견한 동시에 표면에는 더욱 많은 계곡 모양 구조를 함유하고 있기 때문에 기질의 결합 능력을 더욱 강하게끔 하기 때문에 종양 부위에 한정된 H2O2 촉매를 촉진시켜 대량의 히드록실기 자유기를 생성시키고 종양 세포의 쇠망을 발생시킨다는 점을 발견하였음.

연구팀은 관련 연구를 통해 황철광 나노효소는 H2O2에 대해 매우 높은 친화력을 보유하고 있는 동시에 자체적으로 H2O2를 생성시킬 수 있다는 점을 발견함. 황철광 나노효소는 글루타티온(glutathione) 산화 효소의 활성을 보유하고 있기 때문에 산화 세포 중의 환원 타입의 글루타티온(glutathione)이 H2O2를 생성시키고, 생성시킨 H2O2는 과산화물 효소의 기질로 사용되는 것으로 나타났음.

때문에 황철광 나노효소가 함유하고 있는 두 가지 유형의 효소 효과인 글루타티온(glutathione)과 과산화물 효소는 셀프 캐스케이드(Self-Cascade) 반응을 형성하여 히드록실기 자유기를 지속적으로 생성시켜 더욱 많은 종양 세포 쇠망을 발생시키는 것으로 나타났음.

그 외, 글루타티온(glutathione) 산화효소 활성은 GSH 소모를 발생시키고, GSH는 멤브레인 지질(membrane lipid) 회복 효소인 글루타티온(glutathione) 과산화물 효소 4의 보조 인자로서 동 인자의 고갈은 후자(後者)의 활력을 잃게 하고 세포 중의 지질(脂質) 과산화물을 효과적으로 제거하지 못하게끔 하여 세포의 철분을 죽게끔 하는 것으로 나타났음.

황철광 나노효소는 동시에 종양 세포 쇠망과 철 사망을 발생시키고 KRAS 돌연변이, 쇠망 저항성의 내약(耐藥) 종양 세포 속에서 여전히 효율적인 종양 치료 효과를 발휘하는 것으로 나타났음.

그 외, 연구팀은 황철광 나노효소의 생물 안전성에 대한 연구를 수행하고, 세포 살상 효과는 종양 특이성을 보유하고 있는 주요 원인은 종양 세포가 정상적인 세포 대사보다 더욱 왕성하며, 더욱 많은 H2O2를 생성시켜 나노효소로 하여금 더욱 많은 히드록실기 자유기를 생성시킨다는 점을 입증하였음.

종양 세포는 더욱 많은 GSH를 통해 산화 환원 균형을 유지하게끔 하기 때문에 GSH 고갈에 더욱 민감해지고, 종양 세포의 고속 성장은 더욱 많은 철 이온이 필요하기 때문에 더욱 쉽게 철 사망을 발생시키며, 황철광 나노효소는 양호한 생물 분해 특성을 보유하고 있기 때문에 종양 특이성 살상 효과와 생물 분해성은 체 내 응용을 위해 안전성 보장을 제공하는 것으로 나타났음.

높은 활성을 보유하고 있는 황철광 나노효소는 전통적인 과산화물 나노효소가 H2O2에 대해 친화력이 떨어지는 문제를 극복할 수 있도록 하였으며, 종양 부위에 제한적인 H2O2에 대해 대량의 히드록실기 자유기를 생성시킬 수 있게끔 하는 것으로 나타났음.

황화철 나노 소의 새로운 활성인 글루타티온(glutathione) 산화 효소 활성에 대한 발견은 과산화물 효소 활성 발휘를 위해 기질 H2O2를 제공한 동시에 촉매 산화 글루타티온(glutathione) 촉매를 추진하고 세포 철 사망을 발생시키고 종양의 쇠망-철 사망 협동 치료를 실현하는 것으로 나타났음.

중요한 점은 "황철광 나노효소는 기타 도움이 없이 단일 소재, 즉 효율적이고 안전한 종양 치료 효과를 실현할 수 있다"는 점으로서 황철광 나노효소는 임상 전환 잠재력을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

본 연구 성과는 ‘ACS Nano’ ("High-Performance Self-Cascade Pyrite Nanozymes for Apoptosis–Ferroptosis Synergistic Tumor Therapy")에 게재됨.