연 구 결 과 개 요

Analysis of Changes in Gene Expression and Metabolic Profiles Induced by Silica-Coated Magnetic Nanoparticles

Wooyoung Shim, Man Jeong Paik, Duc-Toan Nguyen, Jin-Kyu Lee, Yuwon Lee, Jae-Ho Kim, Eun-Hee Shin, Jin Seok Kang, Hak-Sung Jung, Sangdun Choi, Sungsu Park, Jeom Soon Shim, and Gwang Lee

연구요약

본 연구에서는 나노독성 기전 연구의 일환으로 나노메디신에 적용 가능한 “실리카 코팅 자성 나노입자”를 동물세포에 처리하여 세계 최초로 대사체학, 전사체학, 분자세포생물학 등 다양한 학문적 방법을 접목하였다. 본 연구에서 나노입자가 도입된 세포에서 활성 산소가 증가함으로써, 아미노산 대사에서 글루타메이트 (glutamate)의 축척과 관련 유전자의 변화, 그리고 미토콘드리아의 손상으로 에너지 생산에 관여하는 유기산의 변화로 에너지의 합성이 저해됨을 규명하여 지금까지 세포 수준에서 분석한 결과 중에서 가장 종합적으로 나노독성 기전을 규명하였다.

이러한 기반 기술은 실용화 가능성과 기술적 가치가 높아 나노독성 바이오마커를 국내 특허 출원을 하였으며, 현재 국제 특허 출원을 준비하고 있기 때문에 국내 연구진에 의해 나노안전성 분야에서 선도적으로 나아갈 수 있는 원천 기술을 확보하였다. 또한 이러한 기술은 나노의약품 개발, 나노 피부화장품, 나노식품 개발에 적용되어 세포 수준에서 간편하게 나노독성을 평가할 수 있기 때문에 나노 관련 산업 분야에도 파급효과가 지대할 것으로 기대된다.

1. 서론

나노공학이 발달한 미국에서는 나노독성의 평가 및 예측을 위해 국가독성프로그램 (NTP)과 전사체학과 생물정보학을 접목한 시스템생물학적 분석을 수행하고 있다.  오른쪽 그림과 같이 의약품, 식품, 화장품, 전자소재 등에 포함된 나노입자의 많이 만들어지고 있지만 이를 규제하고 평가하는 방법이 미비하여, 미국 National Nanotechnology Initiative (NNI)에서는 2010 nanotechnology 분야 R&D 예산을 나노안전성 관련 연구비로 대폭 상향 조정하였다 (출처: 2010년, 미국 NanoBusiness Alliance).

나노공학을 이용하는 작업장에서는 나노입자에 의한 인체에 대한 노출은 피할 수 없으므로 인체로의 초기유입을 방어해야 한다. 또한 이와 동시에 나노입자가 노출되면 나노 독성을 예측하고 평가할 수 있는 방법 구축의 필요성이 증대되고 있다.

하지만 나노입자의 성질은 기존의 독성 분석법으로 독성을 평가하기 어려운 나노입자 고유의 성질 때문에 아직 문헌상으로 성공적인 사례가 보고되지 않을 정도로 나노독성은 어려운 학문 분야이다.

국내에서는 다양한 독성연구가 수행중인 국외와는 달리 병인‧병리학적 독성연구 및 평가시스템 구축을 위한 연구가 주를 이루고 있으며, 총괄적인 나노독성 기전연구는 미미한 실정이기 때문에 의료와 전자 산업이 발달한 우리나라로서는 국가적으로도 나노독성 연구가 절실한 상황이다.

2. 연구 내용

나노메디신용 나노입자에 대한 안전성 문제가 화두로 대두되고는 있지만, 현재까지 여러 나노 물질에 대한 안전성을 평가할 수 있는 명확한 방법론적 지침이나 생물학적 지표가 규격화되어있지 않은 실정이다. 본 연구팀은 나노 안전성 평가에 있어 종합적 생물학 분석 방법을 이용한 접근 방식으로 유전체, 대사체 및 세포의 기능적 변화에 대한 생물학적 지표를 제시하였다.

3. 연구 결과

자성 나노입자  {MNP@SiO2(RITC)}를 세포에 처리하면, “대조군”과 비교 시, “저농도의 나노입자 처리군 (0.1 mg/mL)”에 비해 “고농도의 나노입자 처리군 (1.0 mg/mL)”에서 유전자의 발현 변화가 크게 나타나는 것을 보여 주었다 (그림 1). 특히, 유전자들을 기능에 따라 분류했을 때, 대사 기전 중 글루타메이트 (glutamate)와 연관된 유전자의 발현이 “고농도의 나노입자 처리군”에서 두드러지게 변화하는 것을 확인하였다.

용   어   설   명

1. ACS Nano 誌

○ 미국 화학 학회 (American Chemical Society)가 출판하는 세계적인 저널인 ACS 誌의 자매지로서, 논문인용지수(IF)가 10.77인 나노기술 분야에서 최고 수준의 SCI 저널이다.

2. 나노독성

○ 나노입자가 생물체 내에 들어가 독성을 유발시킬 수 있는 성질을 의미한다. 특히 나노입자는 부피당 비표면적(比表面積)이 매우 넓기 때문에 나노이상의 물질보다는 독성의 성질이 다른 양상을 나타낸다.

3. 이산화티타늄

○ 이산화티타늄(titanium dioxide)은 전이금속인 티타늄 원자 하나와 산소 원자 2개가 결합된 분자로서 분자량은 79.866g/mol이며, 화학식은 TiO2이다. 현재 도료에서부터 반도체 물질에 까지 다양한 산업 분야에 쓰인다.

4. 탄소나노튜브

○ 탄소나노튜브는 탄소의 동소체이며, 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 관모양으로 연결된 원통 모양의 새로운 나노소재이다.

5. 실리카 코팅 자성 나노입자

○ MRI 조영제, 세포 분리 및 추적에 이용 가능한 자성 나노입자를 생체 접합성이 높은 실리카로 봉합한 나노입자이다.

6. 글루타메이트(glutamate)

○ 글루타메이트는 단백질을 구성하는 산성 아미노산의 하나이며, 아미노산 중에서 가장 흥분성이 강한 신경전달 물질로 알려져 있다.

7. 미토콘드리아 (mitochondria 단수: mitochondrion)

○ 미토콘드리아는 원핵생물에는 존재하지 않고, 진핵생물의 세포에 있는 세포소기관으로 산화적 인산화과정을 통하여 세포의 에너지원인 아데노신 삼인산(ATP)을 합성한다.

8. 유기산

○ 유기산은 산성을 나타내는 유기 화합물을 총칭하며, 이러한 유기산의 프로파일  분석은 질병의 진단 및 병인학적 연구에 많이 이용되어진다.

9. 마이크로 어레이 (Microarray)

○ 염기서열을 알고 있는 수만 개 유전자 각각을 대표하는 DNA 부분을 소형 기판 위에 고밀도로 배열한 손톱 크기의 사각형 칩에 배열한 후, 유전자 발현 상황을 총체적으로 측정할 수 있는 실험 기구를 의미한다.

10. 대사체학 (Metabolomics)

○ 생체 또는 세포내의 대사체의 프로파일이 다양한 조건 하에서 변화됨을 분석기기를 이용하여 정성과 정량 분석함으로써 생리학적 상태를 분석하는 총체적인 연구이다

11. 유기대사체 프로파일 분석법

○ 유기산, 아미노산, 폴리아민, 지방산과 등과 같은 유기 대사체들의 다성분을 한 번에 동시 분석하는 방법을 의미한다.

12. 기체 크로마토그래프-질량분석기 (Gas Chromatograph-Mass Spectrometer)

○ 기체크로마토그래프에서 성분을 분리한 후, 질량분석기를 이용하여 구조를 규명하는 분석 시스템으로 정성 및 정량 분석에 많이 사용되고 있다.

사   진   설   명

그림 1. 마이크로어레이 (Microarray)를 이용한 대조군, 저농도 및 고농도의 자성 나노입자 처리군에서의 유전자 발현 분석

그림 A. 대조군과 처리군에서의 마이크로어레이 결과.

그림 B. 처리 농도에 따른 대조군과의 유전자 발현 정도 변화 비교.

세포 내 대사체의 변화를 기체크로마토그래프-질량분석기 (Gas Chromatograph-Mass Spectrometer)를 이용하여 분석한 결과, “대조군”과 “저농도의 나노입자 처리군”은 유사한 아미노산의 변화를 보이는 반면, “고농도의 나노입자 처리군”에서는 글루타메이트가 증가하였다. (그림 2).

그림 2. 대조군과 자성 나노입자를 처리한 군에서의 아미노산 대사체 변화 분석.

자성 나노입자에 의한 활성 산소의 유발과 이로 인한 미토콘드리아의 손상 여부를 분석한 결과, “고농도의 나노입자 처리군”에서 활성 산소의 증가(그림 3A)와 미토콘드리아의 내막 조직이 손상되어 있음을 확인하였다 (그림 3B).

그림 3. 대조군과 자성 나노입자 처리 군에서의 활성 산소 유발과 전자 현미경을 이용한 미토콘드리아(mitochondria)의 손상 분석.

그림 A. 대조군과 처리군에서의 탐지자를 이용한 활성산소 탐지 결과.

그림 B. 미토콘드리아의 손상을 전자 현미경으로 분석한 결과.

상기의 내용을 바탕으로 결과를 정리하면, 고농도의 나노입자를 처리하게 되면 유전자의 발현 변화가 유도될 수 있는데, 특히, 대사 기전 관련 유전자들의 발현이 크게 변할 수 있다. 이는 대사체의 변화를 유도하고 글루타메이트를 크게 변화시키는 결과를 보였다. 아울러, 고농도의 나노입자에 의해 유도되는 활성 산소는 미토콘드리아 손상과 그에 따른 아데노신 삼인산(ATP) 감소를 보였으며, 에너지 생성 관련 유기산들까지 변화시킬 수 있다는 결과를 얻었다. 반면, 저농도의 나노입자를 처리할 경우는 대조군과 비슷한 결과를 보이며, 유전자 및 대사체에 크게 변화를 주지 않음을 보여주었다. 따라서, 고농도의 나노입자는 생체 내 다양한 영향을 줄 수 있는 가능성을 가지고 있기에 안전성 측면에서 농도에 대한 주의가 요구된다.

이광 교수 연구팀은 나노독성 기전을 세포 수준에서 가장 종합적으로 규명하였고, 나노독성 관련 바이오마커를 발굴하였다. 사진은 이광 교수(왼쪽)와 심우영 박사가 나노입자를 동물세포에 처리 시 형태적 변화에 관하여 논의하고 있다.

교신저자 이광 교수 이력사항

1. 인적사항

○ 소 속 : 아주대학교 의과대학 의과학연구소/분자과학기술학과, 부교수

○ 전 화 : 031-219-4554

○ e-mail : glee@ajou.ac.kr

2. 학력

○ 1991 : 부산대학교  학사 (미생물학)

○ 1993 : 부산대학교 석사 (미생물학)

○ 2002 :  東京대학교 박사 (분자유전학)

3. 경력사항

○ 1996 ~ 1997 : 東京대학교 의과학연구소 연구조교

○ 1996 ~ 2001 : NIH (U.S.A.), Postdoc Fellow

○ 2002 ~ 2003 : 식품의약안전청, 유전자치료 자문위원

○ 2001 ~ 현재 : 아주대학교 의과대학/분자과학기술학과, 부교수

○ 2010 ~ 현재 : 교과부‧연구재단 일반연구자지원사업(기본연구) 연구책임자

4. 주요연구업적

1. Shim W, Paik MJ, Nguyen DT, Lee JK, Lee Y, Kim JH, Shin EH, Kang JS, Jung HS, Choi S, Park S, Shim JS, Lee G. Analysis of Changes in Gene Expression and Metabolic Profiles Induced by Silica Coated Magnetic Nanoparticles. ACS Nano. 2012 Aug., Online published

2. Nguyen DT, Cho IS, Kim JW, Kim KR, Lee G (co-C/A), Paik MJ.

Acidic metabolite profiling analysis of catecholamine and serotonin as

O-ethoxycarbonyl/tert-butyldimethylsilyl derivatives by gas chromatography-mass

spectrometry. Biomed Chromatogr. 2012 Jul 9. Online published

* Detailed publication list can be found at http://www.ajou.ac.kr/search/professor_view.jsp?=200111105

심우영 박사 (제 1저자) 이력사항

1. 인적사항

○ 소 속 : 아주대학교 분자과학기술연구센터

○ 전 화 : 031-219-4460

○ e-mail : ggito@naver.com

2. 학력

○ 2003년 : 인하대학교 생명과학과ㆍ생명공학과 학사

○ 2005년 : 건국대학교 생명과학과 석사

○ 2012년 : 아주대학교 분자과학기술학과 (생체소재전공) 박사

3. 경력사항

○ 2005 ~ 2006 : 아주대학교 뇌질환연구센터 연구원

○ 2012 ~ 현재 : 아주대학교 분자과학기술연구 센터 Postdoc. Fellow.

4. 주요발표논문

1. Shim W, Paik MJ, Nguyen DT, Lee JK, Lee Y, Kim JH, Shin EH, Kang JS, Jung HS, Choi S, Park S, Shim JS, Lee G

Analysis of Changes in Gene Expression and Metabolic Profiles Induced by Silica Coated Magnetic Nanoparticles, ACS Nano. 2012 Aug., Online published

2. Paik MJ, Shim W(co-first author), Moon SM, Kim YM, Kim DW, Kim KR, Kim SA, Shim JS, Choi S, Lee G

Altered amino acid metabolic patterns in the plasma of rat models with adenovirus infection. Bull. Korean Chem. 2011; 32(5), 1569-1574.

3. Park BN, Shim W(co-first author), Lee G, Bang OY, An YS, Yoon JK, Ahn YH.

Early distribution of intravenously injected mesenchymal stem cells in rats with acute brain trauma evaluated by (99m)Tc-HMPAO labeling. Nucl Med Biol. 2011; 38(8), 1175-1182.

백만정 교수 (공동 제 1저자) 이력사항

1. 인적사항

○ 소 속 : 순천대학교 약학대학/약학과, 조교수

○ 전 화 : 061-750-3762

○ e-mail : paik815@sunchon.ac.kr

2. 학력

○ 1993년 : 수원대학교 유전공학과 (이학사)

○ 1997년 : 성균관대학교 산업보건학과 (보건학석사)

○ 2002년 : 성균관대학교 약학대학 (약학박사)

3. 경력사항

○ 2004.3 ~ 2006.8 : 성균관대학교 약학대학, 연구조교수

○ 2006.9 ~ 2010.8 : 아주대학교 의과대학 신경재생줄기세포연구소, 연구부교수

○ 2010.5 ~ 2010.7 : 교육과학기술부 전문위원

○ 2010.9 ~ 2012.2 : 아주대학교 분자과학기술학과, 연구교수

○ 2012.3 ~ 현재 : 순천대학교 약학대학 약학과 조교수

4. 주요연구업적

1. Shim W, Paik MJ (co-first author), Nguyen DT, Lee JK, Lee Y, Kim JH, Shin EH, Kang JS, Jung HS, Choi S, Park S, Shim JS, Lee G. Analysis of Changes in Gene Expression and Metabolic Profiles Induced by Silica Coated Magnetic Nanoparticles. ACS Nano. 2012 Aug., Online published

2. Nguyen DT, Cho IS, Kim JW, Kim KR, Lee G, Paik MJ.

Acidic metabolite profiling analysis of catecholamine and serotonin as

O-ethoxycarbonyl/tert-butyldimethylsilyl derivatives by gas chromatography-mass

spectrometry. Biomed Chromatogr. 2012 Jul 9. Online published