[논문]효소 모사 활성 무기 나노입자의 진단 및 치료 응용연구 동향

이준수; 김태연; 김봉근; 나현빈

doi:10.14478/ace.2020.1044

효소 모사 활성 무기 나노입자의 진단 및 치료 응용연구 동향
Recent Progress in Inorganic Nanoparticles with Enzyme-Mimetic Activities and Their Applications to Diagnosis and Therapy 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.31 no.4, 2020년, pp.352 - 359

이준수 (명지대학교 화학공학과) , 김태연 (명지대학교 화학공학과) , 김봉근 (명지대학교 화학공학과) , 나현빈 (명지대학교 화학공학과)

초록
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무기 나노입자는 나노미터 크기에서 유래된 광학 및 자성 성질과 같은 물리적 특성을 활용하여 생명-의학 분야에 적극적으로 응용되어왔다. 최근에는 물리적 성질 이외에 무기 나노입자가 갖는 화학적 성질, 특히 효소와 유사한 촉매활성을 이용한 새로운 진단법들이 개발되고 있다. 효소 모사 활성의 검증에 집중하던 초기연구에서, 현재는 활성 메커니즘의 이해를 통한 적극적 활성 제어 및 치료 특성의 직접적 응용으로 연구 범위가 확장되고 있다. 본 총설에서는 효소 모사 활성을 갖는 무기 나노입자, 소위 "나노자임"의 촉매 활성 제어와 치료 및 진단 분야에서의 연구성과들에 대한 최근 동향을 정리하였다. 무기 나노입자의 효소 모사 활성은 입자의 고유한 물리적 성질과 결합되어 새로운 진단 및 치료법의 개발로 이어질 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Inorganic nanoparticles have been actively applied to the bio-medical field by utilizing their physical properties derived from the nanometer size regime, such as optical and magnetic properties. In recent years, diagnostic detection methods have been developed by employing chemical activity, particularly enzyme-mimetic activities, as well as physical properties of inorganic nanoparticles. After the initial study of verifying the enzyme-mimetic activities, the scope of research has been expanded to the direct use of therapeutic effects with active control of activity through understanding of the catalytic mechanism. This review summarizes recent research works on the active control of the enzyme-mimetic activities and newly demonstrated applications on the diagnosis and treatment of diseases, focusing on inorganic nanoparticles, so-called "nanozyme". It is expected that the enzyme-mimetic activity of inorganic nanoparticles will be combined with their inherent physical properties, leading to the development of new diagnostic and therapeutic methods.

주제어

표/그림 (5)

표 Table 1. Summary of Inorganic Nanoparticles with Enzyme-Mimetic Activities and Their Applications
그림 Figure 1. Schematic illustrations of colorimetric detection using peroxidase-like nanoparticles.
그림 Figure 2. Therapeutic applications of catalase-like nanoparticles.
그림 Figure 3. Detection of urease and acetylcholinesterase by proton-dependent regulatory mechanisms of nanoceria[30].
그림 Figure 4. (a) Schematic illustrations of activity-tunable MoO_3-x NUs and tumor specific therapy[35]. (b) Generation of oxygen and ROSs by simultaneous nanozymatic activities of Ru-Te hollow nanorods and effect in PDT[36].

AI 본문요약
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문제 정의

초기의 나노자임 응용 연구는 효소 모사 활성의 검증 및 진단 검출법 에의 활용에 집중되어 있었지만, 최근의 연구에서는 활성 메커니즘의 이해를 통한 적극적인 활성 제어와 함께 치료 분야 등으로의 확장이 시도되고 있다. 본 총설에서는 무기 나노입자에 기반한 나노자임을 중심으로, 촉매 활성 제어와 관련된 연구성과들과 함께 치료 및 진단 분야에서의 최근 연구 동향을 정리하였다. 나노자임의 활용성은 그촉매 활성과 직접적인 관계가 있으므로 과산화효소, 카탈레이즈, 산화 효소, 다중효소 등 나노자임이 모사하는 촉매 활성을 중심으로 구분 하여 기술하였다(Table 1).

제안 방법

나노세리아(nanoceria) 로 불리는 세리아 나노입자(CeNPs)가 대표적으로, 표면의 Ce 이 +4과 +3의 산화 상태를 가역적으로 순환할 수 있어 라디칼의 제거를 통한 뇌졸증의 치료가 가능함이 확인되었다[22]. Singh 또한 +4의 산화 상태를 갖는 CeNPs가 세포내의 활성산소종을 효과적으로 제거할 수 있다는 사실을 보고하였는데[23], 사람 간세포인 WRL-68 세포에 3-amino-1,2,4-triazole (3-AT)를 처리하여 자연적으로 존재하는 카탈레이스의 작용을 억제한 상태에서 축적된 활성산소종이 나노세리아에 의해 분해되는 것을 세포 및 유전자 수준에서 분석함으로써 그 효용성을 확인하였다. 특히 해당 실험에서 카탈레이스는 3-AT에 의해 비가역적 으로 활성이 저해되는데 반해 CeNPs는 촉매활성이 영향을 받지 않아 항산화 물질 치료제로 활용 가능성이 높음을 보여주었다.
본 연구진은 산화철 나노입자의 표면을 개질하여 효소 모사 활성을 향상한 연구결과를 보고한 바 있다[15]. 균일하게 합성된 산화철 나노입자의 표면을 친수성 리간드인 poly(ethylene glycol)로개질하여 용액 상에서 나노입자의 응집을 막고 분산도를 향상시켰다. 이에 의해 활성 표면이 확보되고 ABTS (2,2’-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid), TMB (3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine) 등 기질에 대한 접근성도 상향되어 산화철 나노입자의 과산화효소 모사 활성이 크게 향상되었으며, 그 결과 과산화수소를 매개로 한 포도당 검출에서 선택성과 민감도가 개선되는 것을 확인하였다.
본 총설에서는 무기 나노입자에 기반한 나노자임을 중심으로, 촉매 활성 제어와 관련된 연구성과들과 함께 치료 및 진단 분야에서의 최근 연구 동향을 정리하였다. 나노자임의 활용성은 그촉매 활성과 직접적인 관계가 있으므로 과산화효소, 카탈레이즈, 산화 효소, 다중효소 등 나노자임이 모사하는 촉매 활성을 중심으로 구분 하여 기술하였다(Table 1).
0)에서 최적 촉매활성을 나타나는 다중효소 모사 Co 2 V 2 O 7 나노자임을 보고하였다[34]. 산화효소, 과산 화효소, 카탈레이즈 특성을 동시에 갖는 Co 2 V 2 O 7 나노입자를 수열합 성법으로 합성한 후 pH 조건에 따른 활성 변화를 관찰하였고, 각각의 활성에 최적화된 조건에서 GSH와 포도당을 각각 TMB에 의한 비색 분석 및 benzoic acid (BA)에 기초한 형광 분석으로 정량분석하였다. 해당 입자는 pH 2.
고요산혈증 환자의 혈액에 해당 구조체를 주입할 시 요산 산화효소가 요산을 5-hydroxyisourate (5-HIU)로 분해하는데, 이 과정에서 과산화수소가 발생하게 된다. 이때 나노구조체에 같이 담지된 금 나노입자가 발생된 과산화수소를 분해하여 독성을 감소시킴으로써 치료효과가 향상됨을 in vitro 및 in vivo 실험을 통해 제시하였다.
0)에서도 반응이 일어나는 양성자-의존 조절 메커니즘(proton-dependent regulatory mechanism)을 나타낸다. 이러한 메커니즘을 활용해 양성자를 제공하는 효소인 아세틸콜린 가수분해효소(acetylcholinesterase)와 양성자를 소비하는 효소인 요소 분해효소(urease)를 각각 분석할 수 있는 분석법을 제시하였다. 아세 틸콜린 가수분해효소의 정량분석에서는 아세틸콜린(acetylcholine)을기질로 사용하여, 아세틸콜린이 아세틸콜린 가수분해효소에 의해 콜린(choline)과 아세트산(acetic acid)으로 분해되면 아세트산에 의해 반응계의 pH가 낮아져 나노세리아의 산화 촉매 활성이 나타나(positive regulation) oxTMB의 발색이 강해지는 원리가 활용되었다.

이론/모형

Yang 등은 산화효소 특성을 보이는 Fe-N-C 나노자임을 식수원인 지표수 내에 존재하는 유기오염물인 부식산(humic acid, HA)을 산화분해하는 용도로 활용하였는데[31], 중성 조건에서 Fe-N-C 나노자임을 10 mg/L 정도 첨가하는 것으로 기존의 산화분해 방식에 비해 6배가량 높은 분해 성능을 얻어낼 수 있었다. 이와 함께 전압전류법(cyclic voltammetry) 및 전자상자기성공명법 (electron paramagnetic resonance) 등의 분석법과 범밀도함수이론(density functional theory)을 활용하여 해당 입자의 산화 메커니즘을 제시하였다.

성능/효과

β-CD은 소수성의 중심 구멍과 친수성 표면이라는 구조적인 특성을 통해 기질인 TMB와 host-guest interaction이 가능하기에, Co 3 O 4 와 TMB 간의 흡착 효율을 향상시켜 TMB 발색반응의 효율을 향상시킬 수 있었다.
Hu 등은 구체적인 검출 타겟은 설정하지 않았지만, BSA (bovine serum albumin)로 안정화된 금 나노클러스터(Au-NC)의 TMB에 대한 산화반응 효율을 향상시킴으로써 해당 입자의 높은 pH 의존성을 극복할 수 있는 방법을 소개하였다[20]. BSA로 안정화된 금 나노클러스 터는 크기가 작고 표면이 생친화성을 갖는 단백질이기에 생체에 적용 하기 이상적이지만, 중성의 pH 조건에서는 과산화효소 모사 활성이 제대로 나타나지 않는 단점이 있었다. 그러나 해당 입자에 헤파린 (heparin)을 도입하면 BSA와의 상호작용에 의해 음전하를 띠는 헤파 린이 입자 표면에 고정되고, 이렇게 고정된 헤파린이 TMB의 정전기적 흡착을 유도해 입자 주변의 TMB 농도를 증가시키게 되는데, 이러한 현상에 의해 중성조건에서 낮아진 금 나노클러스터의 과산화효소 활성을 보상할 수 있었다.
BSA로 안정화된 금 나노클러스 터는 크기가 작고 표면이 생친화성을 갖는 단백질이기에 생체에 적용 하기 이상적이지만, 중성의 pH 조건에서는 과산화효소 모사 활성이 제대로 나타나지 않는 단점이 있었다. 그러나 해당 입자에 헤파린 (heparin)을 도입하면 BSA와의 상호작용에 의해 음전하를 띠는 헤파 린이 입자 표면에 고정되고, 이렇게 고정된 헤파린이 TMB의 정전기적 흡착을 유도해 입자 주변의 TMB 농도를 증가시키게 되는데, 이러한 현상에 의해 중성조건에서 낮아진 금 나노클러스터의 과산화효소 활성을 보상할 수 있었다.
따라서 MoO 3-x NUs의 카탈레이즈 활성 모사 반응에 의해 과산화수소가 분해되어 생산된 과량의 산소는 이후 산화효소 활성 모사 반응에 의해 종양세포의 선택적 세포자멸(apoptosis)을유도할 수 있는 초과산화물 라디칼(superoxide radical, O 2- ·)로 전환 되는데, 이에 의해 종양 주변으로 전달된 나노자임이 종양 주위의 산성에 노출되어 단계적 연쇄반응을 일으킴으로써 치료효과를 보였다.
이러한 개선 결과 Co 3 O 4 @β-CD는 순수한 Co 3 O 4 나노 입자 대비 9.5배 높은 활성을 보였다.
PDT는 종양 주변과 같은 저산소 조건에서는 효율이 저감되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 종양 주변에 나노자임을 도입하여 다중효소 모사 활성을 통해 ROS를 생성 하는 동시에 산소를 발생시켜, 근적외선 영역의 레이저를 이용한 PDT 치료효과를 향상시켜 종양의 사멸을 효과적으로 유도할 수 있었다.
이에 의해 활성 표면이 확보되고 ABTS (2,2’-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid), TMB (3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine) 등 기질에 대한 접근성도 상향되어 산화철 나노입자의 과산화효소 모사 활성이 크게 향상되었으며, 그 결과 과산화수소를 매개로 한 포도당 검출에서 선택성과 민감도가 개선되는 것을 확인하였다.
Sun 등은 카탈레이스 특성을 나타내는 Pd@Pt 나노입자를 초음파로 국소감염부위를 치료하는 방법인 초음파역학치료(sonodynamic therapy, SDT)의 보 조제로 활용하는 방법을 소개하였다(Figure 2b)[26]. 초음파에 민감한 유기 약물인 meso-tetra(4-carboxypheyl)porphine (T790)을 Pd@Pt 나노입자에 결합시킴으로써 약물의 체내 안정성을 높였고, 나노입자의 EPR (enhanced permeation and retention) 효과를 통해 박테리아 감염 부로의 약물 전달 효율도 향상시켰다. 치료 대상이 되는 감염부에 음파민감물질이 적고 산소가 부족할 경우 치료효과가 감소되는데, 복합체 형태의 Pd@Pt-T790를 사용하면 치료부에서 T790의 농도를 높일수 있고, 동시에 Pd@Pt 나노입자가 염증 부위에 존재하는 과산화수소를 분해해 산소를 생성함으로써 치료 효율을 증가시킬 수 있음을 보고하였다.
최적화된 조건(pH 4.4, 25 ℃, 10 min)에서 AA의 검출한계는 1.09 μM 로 순수한 Co 3 O 4 나노입자 대비 신호 강도가 3배 향상됨을 보였다.
최적화된 조건(과산화수소의 경우 pH 4.5, 상온, 15 min, 포도당의 경우 pH 7, 37 ℃, 30 min) 하에서 과산화수소의 선형범위는 5~200 및 200~1000 μM로 나타났고(200 μM에서 변곡점을 가진다), 포도당 산화효소(glucose oxidase, GOx)와 함께 사용하여 포도당을 검출한 경우는 0~250 μM 범위의 포도당 농도에서 선형성을 가졌다.
Singh 또한 +4의 산화 상태를 갖는 CeNPs가 세포내의 활성산소종을 효과적으로 제거할 수 있다는 사실을 보고하였는데[23], 사람 간세포인 WRL-68 세포에 3-amino-1,2,4-triazole (3-AT)를 처리하여 자연적으로 존재하는 카탈레이스의 작용을 억제한 상태에서 축적된 활성산소종이 나노세리아에 의해 분해되는 것을 세포 및 유전자 수준에서 분석함으로써 그 효용성을 확인하였다. 특히 해당 실험에서 카탈레이스는 3-AT에 의해 비가역적 으로 활성이 저해되는데 반해 CeNPs는 촉매활성이 영향을 받지 않아 항산화 물질 치료제로 활용 가능성이 높음을 보여주었다.
Bhagat 등은 과산화효소, 카탈레이즈, 초과산화물불균등화효소(superoxide dismutase, SOD)의 세 가지 활성을 보이는 금/산화세륨 코어/쉘 나노입자(Au@CeO ₂core/shell nanoparticles, Au@CeO ₂CSNPs)를 합성하고, pH 변화에 의해 입자의 활성을 정밀하게 조절할 수 있음을 보였다[32]. 해당 입자 는 기본적으로 카탈레이즈 특성을 보유하는 동시에 pH 4~6 범위에서는 뚜렷한 과산화효소 활성을 보였으며, pH 12를 제외한 모든 범위에 서는 60% 이상의 SOD 활성을 나타냈다. Gharib 등은 BSA로 안정화 되어 과산화효소와 카탈레이스의 두 가지 활성을 갖는 백금-은(AgPt) 나노자임을 고안하고 합성 조건을 최적화하였다.
해당 입자는 pH 2.5에서 가장 높은 산화효소 활성을 보였으며, 해당 pH 조건에서 글루타치온을 비색정량 함으로써 2.5~20 μM의 선형범 위를 얻을 수 있었다.
Gharib 등은 BSA로 안정화 되어 과산화효소와 카탈레이스의 두 가지 활성을 갖는 백금-은(AgPt) 나노자임을 고안하고 합성 조건을 최적화하였다. 해당 입자는 pH 4에서는 과산화효소 활성을, pH 11에서는 카탈레이즈 활성을 나타냈는데, 합성 시 은 : 백금 비율을 85 : 15로 하였을 경우 가장 높은 활성을 보였다. 이러한 다중 활성 나노자임의 경우 최근 계산화학 등을 통해 메커니즘의 규명이 시도되고 있으나[33], 단일 촉매활성을 보이는 나노자임들에 비해 메커니즘의 이해는 아직 미진한 상태이다.
해당 입자는 pH 5의 약산성조건에서 세 종류의 활성을 모두 나타내기 때문에 이러한 용도에 적합하며, 실제 종양 저산소증이 흔히 발생하는 췌장암세포에 대해 실험한 결과 효과적으로 치료가 이루어지는 것을 확인하였다.

후속연구

무기 나노입자는 형광 및 흡광 등의 광학특성, 자성 등의 독특한 물리적 성질로 이미 생명-의학 연구 분야에서 기존 진단 및 치료법의 한계를 극복할 수 있다는 가능성을 제시해오고 있다[37]. 이들 소재의 효소 모사 활성은 생명-의학적 연구에 활용할 수 있는 부가적인 효용 성을 제공하는 데서 더 나아가, 물리-화학-생물학적 시너지 효과의 창출로 새로운 진단 및 치료법의 개발로 이어질 수 있을 것으로 기대 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	효소란 무엇인가?	효소는 분자량이 15,000~수백만 달톤의 고분자 단백질로 2,000종류 이상이 알려져 있는 생체 촉매제이다. James B.
	나노자임의 장점은?	효소 모사 활성을 갖는 나노소재로는 금속 나노입자, 금속산화물 나노입자, 탄소기반 나노입자 등의 무기 나노입자가 주로 연구되고 있는데, 이들은 최근 “나노자임(nanozyme)”이라는 이름 아래 연구 영역을 확장하고 있다. 이러한 무기물 기반의 나노자임은 생체 촉매제와 비교해 높은 안정성을 갖는데, 높은 기질 농도 및 다양한 활용 조건에서도 뛰어난 저항성을 가져 변성으로 인한 비활성화(deactivation) 없이 안정적인 활성을 유지할 수 있어, 촉매 활성의 제어가 용이하고 저장 환경에 유연성이 있다는 장점이 있다. 또한, 대량 생산성을 갖는 제조법과 보다 간단한 정제과정으로 뛰어난 경제성을 확보할 수 있을 것으로 예상되고 있다.
	효소의 한계는?	Sumner가 1926년 urease를 작두콩(jack bean)에서 정제 및 결정화하여 효소 단백질의 구조를 이해하기 시작한 이래로[9,10], 효소는 구조적 특성인 활성 자리 (active site)에서 유래한 기질(substrate) 및 생성물(product)에 대한 고도의 선택성과 뛰어난 효율성으로, 생명공학을 포함한 다양한 의학및 산업적 분야에서 폭넓게 이용되어왔다. 그러나 생체 유래 물질인 만큼 발현과 정제 과정이 복잡하여 제조단가가 높고, 생체 물질의 특성상 활성을 보이는 조건이 화학 촉매제에 비해 제한적이며, 외부 환경에 의해 3차원 구조가 변성(denaturation)되기 쉬워 안정성이 낮다는 단점들로 일반적인 유무기 화학 물질에 비교해 한계를 가진다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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