나노기술 및 정책 정보

• 목록

중국과학원 생물물리 연구소 산하 "중국과학원 나노효소 공정실험실"의 옌시윈(閻錫蘊) 원사(院士) 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 나노효소 전약촉매(nano-enzyme precursor catalysis)를 개발하고 나노효소 전약을 암 촉매치료에 응용하여 암치료를 위해 새로운 아이디어를 제공하고 나노효소의 바이오의학 응용을 한층 더 확장시키는데 성공함.

효소학 치료법(enzyme therapy)은 줄곧 매우 매력적인 질병치료 전략으로 평가받고 있는데 이런 평가를 받고 있는 원인은 효소촉매가 효율성 및 특이성에 있으며, 효소활성화 전약(前藥)치료 전략은 높은 선택성과 낮은 독성을 보이고 있기 때문에 전망이 밝은 항암전략에 속함. 특히 베이컨과산화물효소(HRP)와 전약(前藥) 인돌-3-아세트산(IAA)은 이미 효과적인 효소전약(前藥) 시스템에 속한다는 점이 입증되었는데 동 시스템이 인체 내에서 응용될 때 HRP는 항체커플링 혹은 유전자 전달방식을 통해 종양세포 속에 도입할 수 있는 것으로 나타났음.

전약(前藥) IAA는 시스템이 약물을 제공한 후 자유확산 방식을 통해 종양부위에 도달하게 되고, HRP와 반응한 후 메틸 인돌 자유기 활성성분을 방출하여 종양세포를 죽이게 되지만 이런 전략은 두 가지 결함을 보유하고 있는데 하나는 항체커플링 표적이 단백질효소 분해 및 HRP가 종양세포 외부에서의 역할 발휘를 제한하여 종양제거 효과를 제한하게 되고, 유전자 전달방식 중에서 유효 종양 표적전달 및 외원성(外源性) HRP가 종양세포 속에서의 선택성 표현을 실현하는 면에서 어려움에 직면하게 되는 동시에 유전자변이 안전성 문제가 존재하게 되는 점임.

다른 하나는 전약(前藥) IAA는 자유확산 역할을 통해 종양 부위에 도달하게 되는데 종양 부위 집중 정도가 낮아 충분한 촉매반응을 통해 종양을 제거할 수 없게 되기 때문에 효소활성화 전약(前藥) 전략을 이용한 치료효과를 향상시키려면 효소가 효율적으로 종양 부위에 도달할 수 있어야 하는 동시에 전약(前藥)이 종양 부위에 대량 집중될 수 있도록 해야 함.

이런 문제점을 해결하기 위해 연구팀은 나노효소에 기반한 효소활성 전약(前藥) 전략을 제시하였는데 나노효소는 최근 수 년 간 발견된 효소촉매 활성과 유사한 나노소재로서 차세대 아날로그 효소에 속하며, 천연효소에 비해 나노효소는 안정성이 높기 때문에 단백질에 의한 효소분해가 되지 않는 동시에 나노효소는 나노소재로서 다양한 기능성을 보유하고 있으며, 효소촉매 활성 외 나노로드체로서 약물 혹은 표적분자를 로드할 수 있기 때문에 더욱 효율적인 효소촉매 치료 전략을 개발할 수 있을 것으로 전망됨.

현재 나노효소는 주로 무기나노소재를 위주로 하며, 활성은 주로 산화환원 효소활성에 속하며, 현재 보도된 나노효소는 대부분 금속산화물(예를 들면 산화철, 산화구리, 산화세륨 등) 혹은 귀금속(금, 은, 팔라듐, 백금 등) 유형의 나노소재로서 인체 내에서 응용될 때 분해 및 대사가 어렵고 금속이온 방출을 통해 세포독성을 생성시킬 수 있기 때문에 잠재적인 바이오 호환성과 안전성 등 문제가 존재하고 있는 상황임.

최근 년 간 탄소나노효소는 큰 관심을 받고 있는 상황인데 예를 들면 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소점 등, 특히 이종원자도핑은 자연효소의 촉매활성 중심 구조를 시뮬레이션하여 높은 과산화물 효소활성을 나타내도록 하는 동시에 주체는 비금속의 탄소 유형 구조로서 효소 단백질분자 원소와 유사하며 비교적 이상적인 바이오 호환성을 보유하고 있기 때문에 효소 전약(前藥) 전략 중에서 이상적인 자연효소의 대체물이 될 수 있다는 점이 입증된 상황임.

연구팀은 탄소나노효소의 과산화물효소 활성에 기반하여 나노효소 전약(前藥)으로 종양을 치료하는 전략을 구축하였는데 우선 바이오 안전성과 안정성이 높은 비금속 원소 도핑 탄소나노효소는 과산화물 효소활성을 향상시킨다는 점을 입증하였으며, 다음 연구팀은 이론 계산을 통해 다양한 비금속 원소 도핑의 탄소나노효소의 과산화물 활성을 시뮬레이션 하고 N, P 이중 도핑의 효소는 제일 낮은 반응의 신속한 에너지 장벽을 보유하고 있기 때문에 최고 효소 활성을 보유할 수 있다는 점을 발견하였음.

나노효소 전약(前藥) 시스템은 동물실험 과정에서도 양호한 항암효과와 생물 안전성을 나타냈으며, 이런 결과들은 나노효소가 자연의 효소를 대체하여 효 활성 전약(前藥)으로 암을 치료할 수 있다는 점을 입증하고 있는 동시에 나노효소는 로드체로서 효율적으로 전약(前藥)을 암 부위에 전달하고 효소촉매와 나노로드체 이중 기능을 충분히 발휘할 수 있다는 점을 입증하고 있음.

연구팀은 이번 연구를 통해 암표적 촉매치료의 새로운 방향이 될 수 있는 효소 전약(前藥)을 이용한 암치료 관련 새로운 전략을 제공하여 그 의미가 주목됨.

연구 성과는 ‘Nano Today’ ("A Metal-Free Nanozyme-Activated Prodrug Strategy for Targeted Tumor Catalytic Therapy") 지에 게재됨.