빛에 대한 감응반응을 이용해 일산화질소(nitric oxide, NO)의 저장과 방출을 제어할 수 있는 ‘스마트 NO 전달 시스템’이 개발돼, 향후 다양한 질병 치료에 활용될 일산화질소 전달체 연구의 단초가 마련됐다.

기초과학연구원(원장 김두철·IBS) 복잡계 자기조립 연구단(단장 김기문 POSTECH 교수)의 김원종 그룹리더 연구진은 서울대 의대 김정훈 교수팀과 공동으로, 자체 개발한 스마트 NO 전달 시스템을 활용해 동물 안구의 손상된 각막을 치료하는데 성공했다.

연구진이 개발한 스마트 NO 전달 시스템은 다량의 일산화질소를 안정적으로 저장, 빛에 대한 감응반응을 활용해 우리 몸의 질병 부위에 일산화질소를 선택적으로 전달할 수 있는 강점이 있다.
일산화질소는 우리 몸에서 혈관 팽창과 신경 전달, 면역반응 등에 관여하는 기체로, 상처치유와 항암치료 등의 다양한 분야에 적용될 수 있는 물질이다.
많은 연구자들이 인체 내에서 일산화질소의 저장과 방출을 제어할 수 있는 전달 시스템 개발을 시도해왔으나, 반응성이 매우 커 쉽게 변질되는 일산화질소의 특성 때문에 어려움을 겪어 왔다.

이에 연구진은 다량의 일산화질소를 저장했다가 선택적으로 방출할 수 있는 나노입자(nanoparticle)구조를 개발, 빛과 pH(산도) 변화의 순차적인 자극을 통해 일산화질소의 저장과 방출을 조절할 수 있는 NO 전달 시스템을 구현했다.
새롭게 개발된 나노입자는 다량의 일산화질소를 함유한 ‘디아제늄디올레이트(Diazeniumdiolates)’와 빛에 노출되면 산(acid)을 생성해 pH를 낮추는 ‘o-나이트로벤즈알데하이드(o-nitrobenzaldehyde, 이하 o-NBA)’를 포함하는 구조로, 입자 표면에 생체 적합성이 높은 인산칼슘(CaP) 코팅막을 씌워 만들었다.
빛이 차단된 환경에서는 디아제늄디올레이트를 둘러싼 인산칼슘 코팅막이 일산화질소 방출을 억제해 일산화질소를 안정적으로 저장할 수 있다. 나노입자를 빛에 노출시키면, 나노입자 표면의 o-NBA가 산을 생성해 산에 약한 인산칼슘 코팅막을 분해, 디아제늄디올레이트가 외부로 노출되어 일산화질소가 방출된다.

연구진은 실험동물 각막의 상처 부위에 자체 개발한 일산화질소 전달 나노입자를 도포한 결과, 각막 상피 세포가 재생되는 효과를 확인했다. 이로써, 빛과 pH의 순차적 자극을 통한 스마트 NO 전달 시스템을 활용해 세포 재생이 필요한 상처 부위를 치료할 수 있음을 밝혔다.

IBS 김원종 그룹리더는 “지구상에 존재하는 가장 작은 치료용 물질인 일산화질소가스를 제어하는데 있어 한계점을 극복한 연구”라며, “시술 직전에 간편한 빛 처리를 통해 일산화질소의 방출을 유도할 수 있어 향후 박테리아 관련 질환, 혈관질환, 암 등 다양한 질병 치료를 위한 NO 전달 시스템의 개발에 중요한 기반을 제공할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 나노과학기술 분야 국제 학술지인 ACS나노(ACS Nano, IF=12.881) 온라인판 3월 8일자에 게재됐다.

▲ 스마트 NO 전달 시스템 반응 메커니즘 및 안구 치료 적용 모식도

▲ 시간 경과에 따른 NO 전달 나노입자의 각막 치유 효과