고선량 방사선으로부터 전신을 보호할 수 있는 보호제가 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노입자 연구단 현택환 단장(서울대 석좌교수)과 박경표 서울대 치의학대학원 교수 연구팀은 방사선 조사 시 유발되는 과량의 활성산소¹⁾를 극소량의 투여량으로도 제거할 수 있는 나노입자를 개발했다.

항암 치료‧진단 등 의료분야의 방사선 이용이 증가하면서, 세계적으로 피폭 부작용을 감소시키는 약제 개발이 활발히 진행 중이다. 방사선을 쬐면 인체 내 물 분자가 수 밀리 초(ms‧1000분의 1초) 내에 분해되며 과량의 활성산소가 발생한다. 활성산소는 세포에 손상을 입히고, 심각하면 죽음에 이르게 된다. 방사선 분해로 생기는 과량의 활성산소를 빠르게 제거하여, 체내 줄기세포 손상을 최소화하는 것이 방사선으로부터 인체를 보호하는 근본적인 방법이다.

현재 미국 식품의약국(FDA)의 승인을 받은 방사선 보호제는 아미포스틴²⁾이 유일하다. 하지만 아미포스틴은 전신이 아닌 타액선의 손상만 제한적으로 예방할 수 있을뿐더러 독성에 의한 부작용 우려가 있다. 또, 고농도로 투여해야 효과가 유의미하게 나타나고, 그 마저도 30분 내로 분해되어 사용에 제약이 있었다.

이러한 한계를 넘어서기 위해 연구진은 방사선으로부터 전신을 보호하면서 부작용은 줄인 보호제 개발 연구를 시작했다. 우선, 활성산소를 제거할 수 있는 나노입자에 주목했다. 세륨산화물(CeO₂)과 망간산화물(Mn₃O₄)은 패혈증, 파킨슨병, 알츠하이머 등 활성산소 관련 질병 치료에 효능이 있음이 알려져 있었다. 하지만 방사선 보호제로 활용하기 위해 다량 투여하면 체내에서 독성을 유발할 수 있어, 투여량 최소화가 관건이었다.

연구진은 나노입자의 구조를 제어해 활성산소 제거능력을 향상시켜 이 문제를 해결했다. 세륨산화물 나노입자 위에 망간산화물 나노입자를 증착시킨 형태의 나노입자를 제작했다. 두 나노입자의 격자 차이로 인해 망간산화물 입자 내의 격자 간격이 벌어지고, 이에 따라 표면 흡착에너지가 조정됐다. 결과적으로 합성된 세륨-망간산화물 나노입자는 세륨산화물 나노입자보다 항산화 성능이 최대 5배 이상 높아졌다.

이어 연구진은 인간 소장 오가노이드³⁾를 사용해 합성된 나노입자의 방사선 보호 효과를 분석했다. 나노입자의 투여로 방사선으로 인한 DNA 손상, 세포자살, 스트레스 등 부작용이 획기적으로 개선됐으며, 세포 재생 관련 유전자들의 발현이 증가했다.

동물실험을 통해 소량의 나노입자로도 보호 효과가 높음을 입증했다. 실험쥐에게 아미포스틴 권장 투약량의 360분의 1에 해당하는 매우 적은 양의 나노입자를 투여했음에도 치사율 100%의 고선량 방사선 노출에도 66%가 생존했다. 아미포스틴보다 약 3.3배 높은 생존율이다. 또, 실험쥐의 장기 손상이 줄고, 장기 재생이 활발하게 진행되고 있음도 확인했다.

박경표 교수는 “합성된 나노입자가 임상에 적용될 수 있도록 높은 항산화 성능을 입증하는 동시에 생체 독성 문제를 최소화하는 데 집중했다”고 설명했다.

현택환 단장은 “세륨-망간 산화물 헤테로 나노입자는 방사선 피폭으로부터 인체를 보호하는 효과적인 보호제로 활용될 수 있다”이라며 “방사선의 의학적 활용은 물론 원자력발전소 사고로 인한 피해 우려까지 덜어줄 수 있을 것”이라고 말했다.

연구결과는 6월 11일 재료분야 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials‧IF 27.398)’에 온라인 공개됐으며, 8월호 표지논문으로 실릴 예정이다.

그림설명

▲ [그림 1] 방사선 피폭으로부터 인체를 보호하는 나노입자 개발IBS-서울대치대 공동연구진은 방사선 피폭으로부터 전신을 보호할 수 있는 나노입자를 개발했다. 향후 상용화되면 방사선의 의학적 활용은 물론 원자력발전소 사고로 인한 피폭 우려까지 덜어줄 수 있을 것으로 보인다.

▲ [그림 2] 세륨-망간 산화물 헤테로 나노입자 합성 과정공동 연구진은 세륨산화물과 망간산화물 나노입자를 이용해 새로운 방사선 보호제를 합성했다. 세륨산화물 나노입자 위에 망간산화물 나노입자를 형성하면, 세륨과 망간의 격자 불일치로 인해 망간산화물의 격자가 변형되고 그로 인해 표면의 흡착 에너지가 조정되면서 활성산소 제거 능력이 향상된다.

▲ [그림 3] 세륨-망간 산화물 헤테로 나노입자의 방사선 보호 효과연구진은 합성한 나노입자를 오가노이드 실험에 적용했다. 나노입자를 소량만 사용해도 방사선으로 인해 생성되는 활성산소를 제거하고, 세포 손상을 줄이는 것이 확인됐다. 또한 동물실험을 통해 나노입자가 방사선으로 인한 장기손상을 줄여 생존율을 높인다는 사실도 증명했다.

▲ [그림 4] 합성된 나노입자의 방사선 보호제로서의 활용 가능성 확인연구진은 동물(쥐)실험을 통해 헤테로 나노입자의 방사선 보호 효과를 확인했다. (a)는 13Gy(그레이)의 방사선량 조사 후 30일 간의 생존율을 나타낸 그래프다. 100% 사망한 대조군(검은 선)과 달리 나노입자를 투여한 군(빨간 선)은 66% 생존했다. 기존 효능이 높다고 알려진 아미포스틴 방사선 보호제(파란 선)보다도 3.3배 높은 생존율이다. 이어 실험쥐의 정강이뼈(b)와 소장(c)를 채취하여 조직학적 특성을 분석한 결과, 대조군에 비해 골수와 소장의 세포 손상이 적고, 재생이 활발하게 진행되고 있음을 확인할 수 있었다.