패혈증은 바이러스, 세균 등에 의한 염증에 신체가 과민반응 해 생긴다. 발열과 호흡곤란, 백혈구 수치의 급격한 변화를 동반하며, 장기 부전으로 이어져 환자의 치사율이 매우 높다. 매년 전 세계적으로 약 3150만 명의 패혈증 환자가 생기며, 그 중 약 530만 명이 사망한다.¹⁾ 분당서울대학교병원에 따르면 국내 패혈증 환자의 사망률은 약 31%로 심근경색이나 뇌졸중 사망률 9%를 훨씬 상회한다.

아직 패혈증 치료제는 존재하지 않는다. 항생제·항진균제 투여와 수액 공급, 혈압 유지, 수혈, 산혈증 교정 등 동시다발적인 조치가 최선이다. 다만 90%가 넘는 질병이 활성산소²⁾에 기인하고 악화되므로 이를 줄이는 방법이 근본적인 치료가 될 수 있다.³⁾ 특히 패혈증 치료는 활성 산소에 의한 전신염증 유발을 조기에 차단하는 게 무엇보다 중요하다.

미래창조과학부(장관 최양희) 산하 기초과학연구원(원장 김두철) 나노입자 연구단 현택환 단장과 서울대학교병원 신경과 이승훈 교수 연구진은 항산화, 항염증 작용이 탁월한 세리아-지르코니아(CeZrO₂) 나노입자(이하 합성 나노입자)를 합성해 패혈증 치료제로써 효과를 확인했다. 합성 나노입자는 단 한 번 체내 주입으로 반영구적인 항산화제 작용을 한다. 연구진은 해당 성과에 대한 국내 특허 등록 및 해외 특허 출원을 완료한 상태다.

신체가 패혈증에 걸리면 활성산소가 과다하게 발생하고 염증 과민반응이 일어나 조직이 괴사하고 장기가 손상된다. 연구진은 체내 활성산소 농도를 낮추고 염증을 줄이기 위해 2012년부터 세리아(산화세륨, Ce₂O₃) 나노입자가 갖는 항산화 기능에 주목했다. 뇌출혈, 알츠하이머병 등은 동물실험으로 완화 효과를 확인했다.⁴⁾ 이번 합성 나노입자로는 패혈증 치료 효과도 입증하면서 임상으로 나아가기 위해 혹시 있을지 모를 나노입자의 생체독성 최소화에 집중했다.

▲ [그림 1] 패혈증 치료제 세리아-지르코니아 나노입자 대표 도식. 패혈증 치료를 위한 2nm 사이즈의 7CZ(Ce0.7Zr0.3O2) 나노입자를 개발했다. 세포 실험으로 매우 낮은 농도의 세리아-지르코니아 나노입자가 항염증, 항산화 반응해 염증 반응이 낮아짐을 확인하였다(같은 농도의 세리아 나노입자로는 염증 반응을 줄이지 못함). 두 가지 패혈증 실험쥐 모델로 장기의 손상과 사망률을 낮추는데 세리아-지르코니아 나노입자가 효과적임을 입증하였다.

연구진은 나노입자의 성능을 끌어올려 사용량을 줄임으로써 신체 부작용 빈도를 낮추는 방법을 고안했다.⁵⁾ 세리아 나노입자가 지르코늄 이온(Zr⁴⁺)과 결합하면 활성산소를 제거하는 세륨 3가 이온(Ce³⁺)의 비율이 약 2배 높아지고 유지력은 길어진다.⁶⁾ 급성 패혈증을 유발 시킨 실험쥐에 합성 나노입자를 투여하자 장기 손상이 줄어, 감염 2주 內 생존율이 약 2.5배 높아졌다.

▲ [그림 2] 세리아-지르코니아 나노입자의 유지력 및 활성산소 제거능. 세리아-지르코니아 나노입자의 향상된 세륨 3가 이온 비율(좌)과 유지력(가운데), 활성산소 3종 뛰어난 제거능(우). 세리아-지르코니아 비율을 7:3으로 만든 7CZ의 활성산소 제거능이 가장 우수하다.

이번 연구를 주도한 현택환 단장은 "강력한 항산화, 항염증 효과를 보이는 세리아-지르코니아 나노입자가 패혈증 환자의 시술과 치료에 활용 될 수 있기를 기대한다"고 말했다. 공동연구자인 서울대병원 신경과 이승훈 교수는 "나노기술을 의학 발전에 활용하려면 각 분야 간 의사소통이 필수적이다."라며 "이번 연구 역시 수요가 큰 임상 분야에 나노기술을 적절히 접목시킨 결과"라고 전했다.

본 연구성과는 화학분야 최고 권위의 논문 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)' 온라인판에 7월 5일에 게재 됐고, 그 중요성을 인정받아 속표지(Inside Cover) 논문과'가장 주목받는 논문(Hot Paper)'으로 선정됐다.

이번 연구는 기초과학연구원 나노입자 연구단의 주도로 미래창조과학부 기초연구사업, 보건복지부·한국보건산업진흥원 질환극복기술개발사업(질병중심 중개 중점연구)의 지원을 받아 진행되었다.