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꿈의 소재 그래핀 양자점의 소아치매 치료제 응용 가능성 제시
의학약학 차세대융합기술원 (2021-02-15)

희귀질환의 치료제에 대한 요구가 전 세계적으로 증가하고 있다. 이는 사회적 요구뿐만 아니라 경제적 관심으로도 이어지면서 특정 희귀질환을 치료하기 위한 새로운 투자와 연구가 증가하고 있다. 난치성 희귀질환 중 하나인, C1형 니만-피크(Niemann-pick type C1) 질환은 콜레스테롤 수송체 단백질인 NPC1 단백질이 돌연변이 되면서 콜레스테롤과 지질이 세포 내에 축적되는 질환이다. 질환의 발현은 영유아기, 소아기, 청소년기, 성인기로 다양하지만 대부분 신생아 단계에서 황달 증상을 겪으며 성장하면서 운동 실조증, 기억력 감퇴 등 신경 퇴행적 증상이 진행된다. 현재 치료제 개발이 꾸준히 이루어지고 있지만 이렇다 할 치료제가 없는 상황이다. 

국내 연구진에 의해 이러한 난치성 니만-피크 질환(소아성 치매)을 그래핀으로 치료하는 획기적인 방법이 제시됐다. 교신저자인 강경선 교수(서울대학교 수의과대학) 및 홍병희 교수(서울대학교 화학부 및 차세대융합기술원 그래핀연구센터) 연구팀이 주도하고, 신석민 교수(서울대 화학부) 연구팀, 융기원 입주 벤처기업인 바이오그래핀(주) 및 그래핀스퀘어(주), 존스홉킨스의대, 기초과학지원연구원 등이 참여한 공동연구에서 연구팀은 그래핀과 그 유도체들을 나노 약물로서 의학적으로 이용하고자 하는 노력 끝에 희귀 신경질환에서의 치료 효과를 처음 밝혀내었다.
  
강경선 교수 연구팀의 강인성 박사와, 바이오그래핀의 유제민 박사가 1저자로 참여한 이번 연구를 통해, 나노 단위의 탄소화합물인 그래핀양자점이 난치성 리소좀 축적질환인 C1형 니만-피크병의 치료제로서 가장 중요한 콜레스테롤과의 결합능력을 갖고 있다는 것을 밝혀냈다. 아울러, C1형 니만피크병을 모델로하는 직접유도분화된 신경세포의 리소좀에서 그래핀양자점이 콜레스테롤과 결합해 세포 내 축적을 억제할 수 있음을 보고했다. 

본 연구진은 그래핀양자점이 사람의 뇌와 혈관 사이의 혈뇌장벽(Blood-brain barrier)을 통과할 수 있음을 증명하여, 그래핀양자점을 뇌에 직접적으로 투여할 필요 없이 복부 투여만으로도 손상된 뇌를 치료할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 또한, 이러한 그래핀양자점의 특성을 이용하여 C1형 니만-피크 마우스 모델에 적용한 결과, 운동 실조 형상이 완화됨을 보고했으며, 더 나아가 질환 상황에서 분화가 촉진되는 미세아교세포(microglia)의 분화가 억제됨도 발견했다.

세포-동물실험 및 작용메커니즘 규명과 본 연구를 총괄한 강경선 교수는“그래핀양자점은 향후 C1형 니만피크병과 유사한 발병 기작 및 진행 과정을 보이는 다른 형태의 리소좀 축적질환 뿐 아니라 알츠하이머 등 퇴행성 뇌신경질환의 치료제로의 확장이 가능할 것”으로 내다보았다.

그래핀양자점 치료제 합성과 구조 및 특성 분석, 생체배출 추적 연구를 주도한 홍병희 교수는“바이오 벤처기업인 바이오그래핀으로 이전된 특허기술을 바탕으로 미국립보건원(NIH)과 협력하여 유효성과 안정성을 검증하는 전임상/임상을 진행함과 동시에 미국 FDA 신속심사를 추진할 계획이다”라고 밝혔다. 

한편, 바이오그래핀은 지난 2019년 9월 소아치매 임상관련 세계최고 권위자인 NIH 포브스 포터(Forbes D. Porter) 연구팀과 협력하여 NIH 자체 전임상-임상 지원프로그램을 통해 그래핀양자점의 NPC질환 치료제 개발을 추진하는 것을 골자로 하는 공동연구계약을 체결한 바 있다(아래 연구진 사진 참조).

공동연구팀의 이 같은 연구 성과는 Nano Letters (IF: 11.238) 온라인판에 1월 21일 (한국시간) 게재되었으며, 2월 표지논문으로 선정되었다.
 

그래핀 양자점의 콜레스테롤 결합을 통한 콜레스테롤의 리소좀 축적 완화 효과 모식도

그래핀 양자점의 콜레스테롤 결합을 통한 콜레스테롤의 리소좀 축적 완화 효과 모식도

그래핀양자점은 난치성 리소좀 축적질환인 C1형 니만-피크병에서 세포 내 축적물과 직접적으로 결합해 세포의 병증을 완화할 수 있는 효과를 보여, 리소좀 축적 질환의 후보 치료물질이 될 수 있는 것으로 밝혀졌다.iSTOCK

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