자동차가 가스를 이용해 움직이는 것처럼 화학에너지를 기계적 운동으로 전환해 체내를 항해할 수 있는 미세한 모터가 존재하며, 현재 질병 치료와 퇴치를 위해 연구되고 있다.
중국에 있는 남방 의과대학과 쑨원 대학의 과학자들은 최근 연구에서 현재까지 치료법이 없는 류마티스 관절염에 대한 나노 모터에 기초한 잠재적 치료법의 개발을 보여주었다.
"류마토이드 관절염은 관절통, 붓기, 손상으로 특징지어지는 만성 염증성 질환입니다," 라고 이 연구의 주 저자인 서던 의대 약학대학의 수석 연구원인 Yingfeng Tu가 말했습니다. 스테로이드제, 소염제, 면역억제제 등 약물치료가 관절 파괴를 늦추고 통증을 완화하는 데 도움이 될 수 있지만 부작용이 있어 완전히 성공하지는 못한다.
류마티스 관절염에서는 면역세포가 관절의 건강한 세포를 공격해 염증을 일으킨다. 여기서 주요 면역 세포는 대식세포로, 각각 염증을 완화하거나 촉진하는 분자를 방출하면서 항염증 상태에서 전염증 상태로 전환된다.
염증이 있는 관절에서 면역세포는 사이토카인이라 불리는 신호 분자를 방출하여 과산화수소를 포함한 활성산소의 과잉생산을 유발하며, 대식세포가 염증을 유발하는 상태로 전환되도록 촉진한다. 더욱이, ROS 생산은 관절 내의 산소 부족으로 이어져 조직에 손상을 초래한다고 Tu는 언급했다.
Tu와 그의 팀은 관절에 자연적으로 축적된 과산화수소를 화학 연료로 사용하여 만성 염증을 해결하는 데 도움이 되는 산소를 생산하는 나노 모터에 동력을 공급하기로 결정했습니다.
"우리의 결과는 류마티스 관절염에 나노 모터를 사용하는 근본적인 관점뿐만 아니라 염증성 질환에 대한 부작용을 최소화하면서 높은 치료 효율을 달성하기 위한 새로운 전략으로 응용의 관점에서도 광범위한 영향을 미친다."라고 Tu는 말했습니다.
Tu와 연구팀은 이산화망간(MnO2) 나노입자가 과산화수소 분자를 분해해 화학에너지를 생산하는 것으로 알려져 나노봇을 만드는 데 사용했다. 그러나, 그 화학 반응이 생물학적 조직에 해로운 경향이 있는 산화 분자를 생산하기 때문에, 과학자들은 그들의 봇에 산화세륨 나노입자를 실었는데, 이것은 이전 연구에서 강력한 산화 방지 특성을 가지고 있는 것으로 나타났다.
과학자들은 먼저 관절의 액체를 모방하는 식염수와 인공 활막액에서 MnO2-모터의 동원을 실험했다. 혼합물에서 과산화수소 농도를 증가시킬 때, 그들은 나노 모터의 움직임이 증가하는 것을 관찰했다.
이번 연구의 공동저자인 페이 펭 선얏센 대학 소재과학공학부 교수는 활액에 히알루론산이 존재하면 나노 모터의 움직임을 방해할 수 있다고 설명했다. 그런데 놀랍게도, 연구팀은 류머티스 관절염이 있는 관절에서 예상되는 높은 과산화수소 농도에서 MnO2-모터가 식염수에서와 비슷한 행동을 보인다는 것을 발견했다. "이러한 결과는 활액에서 MnO2 모터의 효율적인 추진 성능을 확인했다."라고 펭은 말했다.
더욱이, 나노 모터를 염증성 대식세포를 가진 세포에 첨가할 때, 그들은 염증성 사이토카인 생성의 감소와 염증성 대식세포의 증가를 관찰하여, 그들의 나노 모터가 대식세포가 염증성 대식세포에서 염증성 대식세포로의 전환을 매개하는 능력을 가지고 있음을 시사했다.
하지만 중요한 실험은 살아있는 환경에서 나노 모터를 실험할 때 이루어졌습니다. 쥐의 류마티스 관절염 모델에서요. 과학자들은 동물들의 관절에 나노 모터를 주입했고 초음파 영상을 통해 산소 생성을 관찰했습니다. "우리의 MnO2-모터는 지속적인 산소 생성과 함께 강화된 확산을 가지고 있으며, 저산소 완화와 함께 질병 진행을 지연시키기 위한 ROS 청소를 보여주었다,"라고 연구의 공동 저자인 Yingjia Li가 말했습니다.
Li는 또한 MnO2-모터가 국소적으로 주입되어 주로 무릎 관절에 유지되었지만 치료된 쥐들은 혈청에서 발이 덜 부어오르고 뼈 침식이 줄었으며 염증성 사이토카인의 수치가 낮아 MnO2-모터를 투여하면 전반적인 관절염 중증도를 현저하게 억제할 수 있음을 보여준다고 설명했다.
이러한 유망한 결과를 고려하여, 연구팀은 MnO2 모터를 클리닉에 가져오기 위해 노력하고 있다.
Writer: Yeyoung Jeon
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