일산화질소(Nitric Oxide, NO)는 대기오염의 주원인인 기체로 잘 알려져 있다. 그러나 알고 보면 우리 몸에서 매우 중요한 생리적 역할을 하는 기체이기도 하다. 혈관 팽창이나 면역 반응, 신경 전달의 과정에 관여하며, 상처를 치유하는 효능도 있다. 이렇게 생의학적 가치가 높은 일산화질소를 우리 몸 속 환부에 필요할 때 공급할 수 있는 방법은 없을까?

이전까지는 일산화질소를 활용할 수 있는 방법이 마땅치 않았다. 반응성이 매우 커서 쉽게 다른 물질로 변질되는 화학적 특성 탓에 저장과 방출을 조절하기 어렵기 때문이다. 일산화질소를 고정시키기 위해서 전이금속을 사용하는 방법도 시도되었지만, 많은 양의 일산화질소를 저장할 수 없을 뿐 아니라 독성을 띠므로 우리 몸에 유해하다는 문제점이 있었다. 인체에 무해하면서 다량의 일산화질소를 필요한 환부에 전달할 수 있는 전달체를 개발하는 것이 관건이었다.

이에, IBS 복잡계 자기조립 연구단(단장 김기문)이 서울대 의대 김정훈 교수팀과 공동 연구를 통해 빛으로 제어할 수 있는 스마트 NO(일산화질소) 전달 시스템 개발에 성공했다. 빛에 대한 감응반응을 활용해 일산화질소 방출을 조절할 수 있는 나노입자(nanoparticle) 구조를 고안해낸 것이다. 연구진은 동물의 손상된 각막에 새로운 스마트 NO 전달 시스템을 적용, 각막 상피 세포 재생을 돕는 효과를 확인했다. 이번 연구는 우리 몸의 질병 부위에 일산화질소를 선택적으로 전달할 수 있어 향후 다양한 질병 치료에 활용될 시스템을 마련한 것에 의의가 있다.

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.

이 나노입자 구조는 빛과 pH 변화의 순차적 자극을 통해 일산화질소를 제어할 수 있도록 고안됐다. 빛이 차단된 경우에는 디아제늄디올레이트가 인산칼슘막에 잘 싸여있어 일산화질소의 방출이 억제된다. 그러나 빛에 노출되면, 나노입자를 구성하는 o-NBA가 산을 생성해 인산칼슘막을 분해해, 디아제늄디올레이트를 막 외부로 노출시켜 다량의 일산화질소를 방출하게 된다.

이렇게 빛으로 제어하는 스마트 NO 전달 시스템의 효과는 어떨까. 연구진은 실험동물의 손상된 각막에 자체 개발한 나노입자물질을 도포한 결과, 이틀 후 각막 상피 세포가 재생되는 효과를 확인했다. 빛 처리만으로 질병이 있는 부위에 일산화질소를 공급해 치료할 수 있는 시스템이 구현된 것이다.

IBS 복잡계 자기조립 연구단 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 결과는 나노과학기술 분야 세계적 학술지인 ACS 나노(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

• * (논문제목) Light-Induced Acid Generation on a Gatekeeper for Smart Nitric Oxide Delivery
• * (제1공동저자) : 최형우, IBS 복잡계 자기조립 연구단 연구위원
• * (제1공동저자) : 김지훈, IBS 복잡계 자기조립 연구단 연구위원
• * (교신저자) : 김원종, IBS 복잡계 자기조립 연구단 그룹리더

대외협력실 김주연