▲아리조나주립대학 연구팀이 급성신부전 치료법을 개발했다(사진=ⓒ셔터스톡)

급성신부전(AKI)은 촉발된 후 몇 시간 혹은 며칠 내에 급작스럽게 발생하는 신장 손상 질환이다. 현재로서는 이 질환을 해결할 효과적인 치료제는 없다. 미국의 아리조나주립대학의 한 연구팀은 나노기술에 관심을 가지고 급성신부전을 치료할 수 있는 DNA 접기기술(DNA origami)를 사용했다.

이 연구팀은 오랫동안 나노기술 기반의 급성신부전 치료법을 개발했으며, 동물 모델과 사람의 세포를 사용한 실험을 통해 DNA 접기기술 나노구조로 신장을 보호하고 급성신부전 증상을 줄일 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

급성신부전을 위한 새로운 나노기술 치료법

미국 국립신장재단(National Kidney Foundation)에 따르면, 급성신부전은 혈액 속에 폐기물을 축적해 체액의 균형을 잡지 못하는 것이다. 그 결과, 두뇌와 심장, 폐 등과 같은 여러 기관에 영향을 미치게 된다. 신장 이식으로 급성신부전을 치료할 수 있지만, 추가적인 보조요법이 필요하다.

아리조나주립대학 연구팀은 나노입자로 급성신부전을 앓고 있는 신장을 보호하고 치료할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. DNA를 나노 규모의 특정한 형태로 접는 방법인 DNA 접기기술을 적용하면 된다는 것이다. 연구팀은 실험실 테스트를 통해 이 기법이 급성신부전 증상을 효과적으로 경감하고 신장을 보호할 수 있다는 사실을 확인했다

"위스콘신대학의 차이 웨이보 교수가 이끄는 나노의학 및 체내 영상 연구팀과의 학제간 협업을 통해 급성신부전을 치료에 DNA 접기기술 나노구조를 적용했다. 이 방법은 DNA 나노기술 연구에 새로운 지평을 열었다"고 공동 저자인 얀 하오 교수는 말했다.

DNA 접기기술 나노구조

연구팀은 나노기술을 사용해 3가지 다른 형태 즉, 직사각형, 삼각형 및 튜브형의 DNA 기반 나노구조를 만들었다. 그리고 미세한 구조를 테스트하기 위한 대상으로 실험쥐 모델과 인간 배아 신장 세포를 선택했다.

DNA 접기기술 나노구조(DON)의 성능 및 안전성을 평가하기 위해 양전자 방사 단층촬영(PET) 방법을 사용했다. 영상 샘플에서 수량화 특징을 추출할 수 있는 수량화 영상법으로 영상 테스트로 질환의 정도 및 부상 세부내용을 포함한 상태를 다중으로 측정할 수 있다.

다음으로, 연구팀은 급성신부전 증상을 보이는 실험쥐 모델에 DNA 접기기술 나노구조(DON) 방법을 사용했다. 3가지 실험쥐군 각각에 각기 다른 나노구조 형태 중 하나를 적용했다. 그리고 PET를 사용해 모든 나노구조 형태 중 직사각형 나노구조가 신장을 보호하는 최적의 성능을 보이고 증상을 완화한다는 사실을 밝혀냈다.

연구팀은 유효성 정도를 파악하기 위해 현재 급성신부전에 사용하고 있는 치료제인 N-아세틸시스테인(NAC)이라는 항산화 약물을 분석했다. NAC는 임상의들이 급성신부전으로부터 신장을 보호하기 위해 사용하는 치료제다. 그러나 이 약물의 신장에 대한 생물학적 이용 가능성은 저조한 것으로 알려져 있다.

연구팀은 NAC 유효성에 대한 데이터와 실험쥐 모델을 사용해 얻은 직사각형 접기기술 나노구조의 결과를 비교했다. 비교 결과, 나노구조는 NAC와 유사한 유익한 효능을 보였다. 이 미세한 구조는 실험쥐의 신장에서 발생하는 산화 스트레스를 상당히 감소시키고 그 결과 급성신부전 증상을 완화했다.

게다가 DNA 접기기술 나노구조의 치료 효과는 인간 태아 신장 세포에서도 동일해 임상 환경에서 가능성을 입증했다. DNA 접기기술 나노구조는 취약한 세포를 보호하고 신장세포에서 산화 스트레스를 촉발할 수 있는 화합물 및 물질을 차단했다.

나노구조의 세포 안전성에 대한 분석

▲과학자들은 인터류킨6 수치를 측정하기 위해 동물모델 표본을 사용했다(사진=ⓒ게티 이미지)

연구팀은 DNA 접기기술 나노구조의 유효성 연구 후 살아있는 세포에서 안전성을 평가했다. 그들은 두 가지 기본적인 안전성, 즉 면역 반응과 세포 부상을 연구했다.

면역 반응의 경우 혈액 표본을 사용해 동물 모델에서 인터류신6 수치를 검사했다. 혈액 분석에 따르면, IL-6 수치는 정상이었으며 DNA 접기기술 나노구조 이식으로 면역 반응을 유도하지 않았다. 이는 구조의 비면역 유전학 속성을 나타냈다.

세포 부상의 경우 혈액 표본에서 종양 괴사 인자 알파 수치를 검사했다. 혈액 분석에 따르면, 이 수치는 일반적으로 안전한 것으로 확인됐다. 그리고 장기의 조직 샘플 테스트 결과 독성도 최소한도인 것으로 나타났다. 직사각형 DNA 기반 나노구조의 이식으로 실험쥐 모델의 신장 기능을 개선하고 배뇨활동을 정상화하고 장기 부상의 증상을 완화할 수 있었다.

한편, 연구팀은 직사각형 DNA 기반 나노구조를 최적화하기 위해 추가 연구가 필요하다고 밝혔다. 나노구조가 현재 사용하고 있는 치료법보다 효과적이고 안전하며 신뢰할 수 있는지 확인할 필요가 있다는 것이다.

[메디컬리포트=김건우 기자]

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