프로그램 가능 나노구조로 급성 신부전 치료 가능성 열려

2019-01-18 16:56:32 최재은 기자
▲급성 신부전 치료에 나노 기술을 사용한 연구가 진행됐다(사진=ⓒ게티이미지)

매해 170만 명의 사망 원인이 되는 급성신부전은 세계적인 최악의 질병 중 하나다. 게다가, 연간 1,330명의 급성신부전 환자가 새로 생겨나고 있다. 신장은 혈액 속에서 과잉 수분과 노폐물을 소변의 형태로 제거하는 데 중요한 기능을 한다. 질소성 노폐물이 축적되기 시작하고 소변 배출이 줄어들면 신장 합병증이 중증으로 변한다. 이러한 노폐물이 질병 발생 몇 시간 혹은 며칠 만에 빠르게 축적되기 때문에 현대 의학의 큰 문제라고 전문가들은 주장하고 있다.

신부전은 중증의 합병증이 뒤따를 수 있기 때문에 수많은 연구자들은 신장을 건강하게 보호하고 손상된 신장을 위한 치료제 개발에 노력을 기울이고 있다. 한편, 위스콘신매디슨대학의 연구팀이 급성신부전을 치료 및 예방할 수 있는 새로운 방법을 발표했다. 얀 하오 교수가 이끈 연구팀은 지름이 10억 분의 1미터인 미세한 자가 조립 기능을 가진 입자를 개발했다.

얀 교수는 DNA를 만들어 DNA 나노기술 연구의 새로운 지평을 열었다고 주장했다. DNA 접기기술(origami)를 사용해 자가 조립 삼각형, 사각형 및 원통형 형태를 만들었다. 이 방법은 신장에 축적되는 자가 조립 DNA 접기 기술 나노구조 (DON)를 설계하기 위해 DNA의 뉴클레오타이드 염기쌍 속성을 사용한 것이다. 얀 교수는 나노의학 전문 DNA 나노기술 연구팀과 위스콘신매디슨대학의 차이 웨이보 교수가 있는 체내 영상의학팀과의 협업을 통해 획기적인 발견을 했다고 주장했다.

NAC 효과와 일치하는 직사각형 DON

이번 실험은 인간 배아 신장 세포와 실험쥐를 대상으로 실시했다. 연구팀은 DON이 급성 신부전 증상을 완화하는 한편 신장이 신부전으로 빠지지 않도록 보호한다는 사실을 확인했다. 연구팀은 양전자 방사 단층촬영(PET)를 사용해 DON의 분포 상태를 조사했다. 실험 결과, 신장 치료 약물로 특히 직사각형 나노구조가 효과적이라는 사실을 알게 됐다. 게다가, 급성신부전의 원인으로 알려진 산화 스트레스도 완화할 수 있었다.

신장의 노폐물은 소변 형태로 수뇨관을 통해 방광으로 이동한다. 신체가 자가 보수 및 에너지를 충족하기 위해 음식물과 활성 근육을 분해하면 노폐물이 생성된다. 신부전 치료는 증상의 정도에 따라 달라진다. 예를 들어, 증상이 진행되면 신장 이식뿐만 아니라 재수화 및 신장투석 같은 보조 요법을 진행한다. 한편, 의료 영상 촬영의 선명도를 위해 주로 사용되는 조영제가 원인인 조영제 유도 급성신부전도 있다. 영상을 촬영하는 동안 항산화 약물인 N-아세틸시스테인(NAC)를 사용해 이 독소를 피할 수 있다. 그러나 신장은 생물학적 이용 가능성이 부족하기 때문에 NAC의 효과는 매우 제한적이다.

▲신부전이 진행된 환자는 신장 투석 같은 치료를 받아야 한다(사진=ⓒ게티이미지)

비록 아직 급성신부전 치료제로 개발된 것은 없지만, 나노의학이 유일한 희망인 것처럼 보인다. 의료용 연구 및 치료를 위해 나노 규모에서 원자를 조작한 것은 다양한 질병 치료의 돌파구를 마련할 수 있을 것으로 보인다. 연구팀은 체내에 나노물질을 사용해야 하기 때문에 아직 한계점은 있지만 동일한 방법을 영상 촬영 개선 및 급성신부전 치료에 적용할 수 있을 것이라고 말했다.

새로운 연구는 살아있는 유기체 내에서 관련된 나노구조를 조사한 것이었다. RNA와 DNA 같은 핵산은 염기쌍 속성을 가지고 있어 이러한 나노구조를 예측 가능한 크기와 형태로 설계하는 것이 쉽다. 게다가, 여러 가지 기능을 부여할 수 있으며 독성과 면역원성이 낮고 안정적이어서 살아있는 시스템에서 완벽하게 작용할 수 있다.

연구진은 방사선 표지와 PET 촬영을 사용해 실험쥐 신장의 DON을 연구했다. 얀 교수의 연구팀은 스캔 분석 시 건강한 실험쥐 신장과 급성 신부전을 유도한 신장에 DON이 축적된 것을 확인했다. 그리고 사각형 DON이 NAC 약물처럼 최적의 보호와 치료 효과를 제공한다는 사실도 알게 됐다.

이러한 DON 효과는 포집 활성산소를 통해 손상에 취약한 세포를 보호하는 나노구조 덕분이다. 기존의 급성신부전 치료와 비교 시, 배아 세포로 된 신장과 살아있는 실험쥐 신장에서 DON이 축적된 것 모두 우수한 치료적 효과를 낳았다. 결론적으로, DON은 손상된 신장 세포를 2시간 동안 배양시키자 산화 스트레스가 개선됐다.

고용량의 NAC 약물 섭취와 비교했을 때 나노 구조를 사용한 후 급성신부전에 걸린 신장 기능이 개선됐다. 또한, 급성신부전 증상을 보인 실험쥐는 사각형 DON 치료를 받은 후 배설 기능이 개선됐다.

그리고 DON은 심장과 비장, 신장 조직에 독성을 거의 보이지 않았으며 면역 유전성이 없었다. 연구팀은 이번 연구 결과를 토대로 사람을 대상으로 한 임상 실험에 사용할 것을 추진하고 있다. 그리고 치료용 나노 구조를 다른 질병에도 적용할 수 있는지 추가 연구를 계획 중이다.

[메디컬리포트=최재은 기자]

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