구형 히알루론산 나노입자의 연골파괴 완화효과-퇴행성 관절염 치료 위한 후보물질로 자가조립 히알루론산 나노입자 제안

구형 히알루론산 나노입자의 연골파괴 완화효과-퇴행성 관절염 치료 위한 후보물질로 자가조립 히알루론산 나노입자 제안

등록일2021.06.30.

 

 

 

구(球)형 히알루론산 나노입자의 연골파괴 완화 효과 

퇴행성 관절염 치료 위한 후보물질로 자가조립 히알루론산 나노입자 제안 

 

 

□ 담고 있던 약물을 표적세포에 내려놓는 도구인 약물전달체가 그 자체로 퇴행성 관절염 치료를 위한 후보물질이 될 수 있다는 연구성과가 소개됐다. 

 

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 김욱, 양시영 교수(아주대학교) 연구팀이 구(球)형 자가조립 히알루론산 나노입자의 연골보호 및 염증완화 효과를 생쥐모델에서 확인했다고 밝혔다. 

     ※자가조립 히알루론산 나노입자 : 히알루론산에 소수성 물질을 결합시켜 수용액에서 소수성 결합에 의해 자가조립되어 형성되는 구형의 나노입자. 내부에 약물을 담아 전달하는 약물전달체로 널리 사용된다. 

 ○ 퇴행성 관절염을 위한 연골보호제로 쓰이는 선(線)형 히알루론산의 생체안정성과 효과를 높일 실마리가 될 것으로 기대된다.

 

□ 연구팀은 선형 히알루론산과 달리 압축된 구형의 자가조립 히알루론산 나노입자가 안정성이 더 높아 생체 내에서 오래 지속되며 염증완화 효과도 높일 수 있을 것이라 가정했다. 

 

□ 연구팀은 생쥐 무릎에 주입된 자가조립 히알루론산 나노입자가 연골을 투과해 연골세포 막에 존재하는 CD44 수용체에 결합, 연골파괴를 막는 것을 다광자 및 공초점 현미경으로 확인했다.  

 ○ 나노입자에 다수의 CD44 결합부위가 있어 동시에 여러 CD44와 결합 , 세포막에 CD44 뭉침현상(clustering)을 일으켜 CD44 활성을 효과적으로 억제한다는 것이다. 

 ○ 약물을 담지하지 않은 약물전달체인 자가조립 히알루론산 나노 입자 자체가 연골파괴를 매개하는 이화인자를 돕는 CD44 수용체를 억제한다는 설명이다. 

     ※CD44 수용체 : 퇴행성 관절염 환자에서 높은 농도로 발현되는 세포막 수용체. 연골파괴인자의 생성을 도와 연골파괴를 이끈다. 

     ※이화인자 : 연골 파괴를 매개하는 생체 내 단백질 

 

□ 또한 연구팀은 CD44 수용체가 퇴행성 관절염 치료제 개발의 표적이 될 수 있음을 재확인했다. 

 ○ CD44 수용체가 만들어지지 않는 생쥐모델은 무릎관절에 인위적 으로 퇴행성 관절염을 유도해도 CD44 수용체가 생성되는 대조군에 비해 연골파괴가 현저히 낮게 나타난 것이다. 

 

□ CD44 수용체에 작용하는 퇴행성 관절염 치료제 후보물질로 자가조립 히알루론산 나노입자의 가능성을 제안한 이번 연구가 기존 선형 히알루론상의 낮은 생체 내 안정성과 분해산물로 인해 유발될 수 있는 염증반응 등을 극복할 실마리가 될 것으로 기대된다. 

 

□ 이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 및 바이오·의료기술개발사업 등의 지원으로 수행되었으며 국제학술지 바이오머트리얼스(Biomaterials)에 2021년 6월 19일 발표되었다.

 

주요내용 설명

 

 <작성 : 아주대 김욱 교수, 아주대 강이중 박사>

 

논문명

Self-Assembled Hyaluronic Acid Nanoparticles for Osteoarthritis Treatment

저널명 

Biomaterials

키워드 

퇴행성관절염(Osteoarthritis), 자가조립 히알루론산 나노입자(Self-assembled hyaluronic acid nanoparticle), 이화인자(Catabolic factor), 염증(Inflammation)

DOI

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2021.120967

저  자

강이중 박사(제1저자/아주대학교), 윤주환 박사과정(제1저자/아주대학교), 노준기 박사(공동저자/아주대학교), 한화승 박사(공동저자/한국과학기술연구원), 이슬비 석사과정(공동저자/아주대학교), 오영수 박사과정(공동저자/광주과학기술원), 김환 박사(공동저자/광주과학기술원), 김은하 교수(공동저자/아주대학교), 김석중 교수(공동저자/가톨릭대학교), 임영택 교수(공동저자/성균관대학교), 박재형 교수(공동저자/성균관대학교), 송우근 교수(공동저자/광주과학기술원), 양시영 교수(교신저자/아주대학교), 김욱 교수(교신저자/아주대학교)  

 

 

1. 연구의 필요성

 ○ 수명연장에 따른 고령화 사회 진입으로 세계적으로 관절염 환자 수는 지속적으로 증가하고 있는 추세임. 2015년 미국 통계에 의하면, 65세 이상 노인에서 관절염의 전체 유병률은 33.6%로 전 인구대비 2,700만 정도라고 추정됨. 

 ○ 이중 중등도 이상 관절염은 인구 100명당 0.9명(여자 1.2, 남자 0.4)이고, 증상에 따른 60세 이상 노인의 관절염 유병률은 인구 100명당 12.1% (여자 18.7%, 남자 13.5%)이며, Framingham OA study 보고에 따르면 63세 이상 노인의 골관절염 유병률은 9.5%(여성1.4%, 남성 6.8%)라고 보고 되어있음. 

 ○ 퇴행성 관절염 치료는 현재까지 수술 및 비스테로이드 제제 통한 항염 및 통증완화에만 그치고 있으며 장기투여 시 소화기계 및 혈액응고 기전의 부작용이 발생할 수 있음. 

 ○ 주입형 고분자량 히알루론산은 퇴행성 관절염 치료제 및 연골보호제로 사용되고 있으나 생체 내에서 불안정하고 효과 또한 개선될 필요가 있음. 따라서 부작용이 없고 생체 안정성이 뛰어나면서 효과적인 치료제 개발이 필요한 실정임. 

 ○ 생체 친화성, 무독성 및 표적 특이적 결합력 등의 장점으로 인해 자가조립 히알루론산 나노입자는 약물전달체로 개발되어 약물의 표적 특이적 체내 전달을 위한 수단으로 활발히 사용되어 왔음. 

 ○ 본 연구팀에서는 약물을 담지하지 않은 자가조립 히알루론산 나노입자 자체의 동물모델에서의 퇴행성관절염 치료효능을 규명하고 기존 주입형 고분자 히알루론산의 단점을 극복할 수 있는지 규명하여 새로운 퇴행성관절염 치료제로서의 개발 가능성을 검증하고자 함

 

2. 연구내용 

 ○ 친수성 히알루론산에 소수성 5β-콜린산을 접합하면 수용액에서 소수성 상호작용에 의해 구형의 자가조립 히알루론산 나노 입자(HA-CA NP)가 형성됨. 본 연구에 사용된 자가조립 히알루론산 나노입자의 크기는 221 ± 1 nm 임.

 ○ 기존 선형의 고분자량 히알루론산에 비해 구형의 압축된 구조로 인해 히알루론산 분해효소에 대한 저항성 뿐만 아니라 높은 체내 안정성을 보임.

 ○ 다중광자 및 공초첨 현미경 분석을 통하여 자가조립 히알루론산 나노입자는 생쥐의 관절을 통해 유입되면 연골 내부로 침투하여 연골세포의 세포막에 존재하는 수용체 CD44에 결합하는 것을 확인함.

 ○ 다양한 분자생물학·생화학적 분석을 통하여 자가조립 히알루론산 나노입자가 CD44의 활성을 저해함으로써 연골파괴를 유도하는 이화인자(Catabolic factor)의 발현 및 활성을 억제한다는 것을 규명 하였음. 

      * 이화인자 : 연골 파괴를 매개하는 생체 내 단백질 

 ○ 또한 고분자량 히알루론산과 비교실험을 통해 자가조립 히알루론산 나노입자가 CD44에 의한 이화인자의 발현 및 활성을 더욱 효과적으로 감소시키는 것을 입증함.

 ○ 퇴행성 관절염을 유발하는 이화인자의 발현은 전자인자인 NF-κB에 의해 조절되는데, 자가조립 히알루론산 나노입자는 이러한 NF-κB의 활성을 저해함으로써 이화인자 발현 및 활성을 억제한다는 것을 규명함.

 ○ 퇴행성 관절염 동물모델에 자가조립 히알루론산 나노입자를 4주에 한 번 주입해도 효과가 있다는 것을 확인하였고, 기존 고분자량 히알루론산 과 비교하여 효능이 우수하다는 것을 규명함.

 

3. 기대효과

 ○ 기존 퇴행성관절염 치료제로 사용중인 고분자량 히알루론산의 단점을 극복할 수 있는 후보물질로서 자가조립 히알루론산 나노입자의 가능성을 확인하였음.

 ○ 표적 특이적 약물전달체로서의 기능을 융합하여 특정 약물을 탑재하여 관절에 주입하면 약물의 종류에 따라 관절염 치료 효과를 극대화시킬 수 있으며 동시에 두 가지 이상의 표적을 제어할 수도 있을 것으로 기대됨.

 ○ 최근 본 연구그룹에서는 자가조립 히알루론산 나노입자에 의한 염증성 대사질환 제어 효능도 규명하여 발표하는 등 대사질환 및 관절염을 포함한 다양한 염증질환에 적용할 수 있을 것으로 기대됨. 

 

그림 설명

 

 

 

 

 

(그림1) 자가조립 히알루론산 나노입자의 퇴행성 관절염 치료기전 

자가조립 히알루론산 나노입자를 생쥐의 연골에 주입 시 CD44와 결합하여 CD44의 활성을 감소시키며 이는 결과적으로 전사인자인 NF-κB활성을 억제함. 이를 통하여 연골파괴를 매개하는 이화인자의 발현 및 활성을 저해함으로써 연골파괴를 감소시킴                       

 

그림설명 및 그림제공 : 아주대학교 김욱 교수, 아주대학교 강이중 박사

 

 

 

(그림2) 생쥐모델에서의 자가조립 히알루론산 나노입자의 퇴행성 관절염 치료효과

A. 히알루론산 분해효소에 대한 저항성 평가 : 자가조립 히알루론산 나노입자는 고분자량 히알루론산보다 히알루론산 분해효소에 대한 저항성이 높음.

B. 동물모델을 이용한 자가조립 히알루론산 나노입자의 연골 투과능 평가 : 다광자 현미경 분석을 통하여 자가조립 히알루론산 나노입자의 연골투과능을 확인함.

C. 동물모델을 이용한 퇴행성 관절염 치료효과 평가 : 자가조립 히알루론산 나노입자를 연골에 4주에 한 번 주입해도 연골파괴를 억제시켰고, 동일 용량에서 고분자량 히알루론산보다 효과가 우수하였음  

그림설명 및 그림제공 : 아주대학교 김욱 교수, 아주대학교 강이중 박사

 

연구 이야기

 

                                    <작성 : 아주대 김욱 교수, 아주대 강이중 박사>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

 

퇴행성 관절염은 연골에 생기는 염증성질환으로서 다양한 요인에 의해 연골이 점차적으로 파괴되어 생기는 질환이다. 현재까지 퇴행성 관절염 치료로는 수술적인 방법 이외에 별다른 치료법이 없으며, 따라서 퇴행성관절염 치료제에 대한 개발이 필요한 실정이다. 

 

현재 퇴행성관절염 치료제로 사용되고 있는 고분자량 히알루론산은 생체 내에서 불안정하고 효과 또한 미흡한 실정임. 따라서 생체 내에서 안정적이고 효과적인 치료제 개발이 필요한 상황임. 

 

본 연구를 시작하기 이전에 본 연구그룹에서는 자가조립 히알루론산 나노입자가 염증반응 억제를 통해 대사질환을 제어할 수 있다는 것을 규명하였다. 그러므로 퇴행성 관절염 치료제의 단점을 극복할 수 있는 새로운 퇴행성 관절염 치료제로서 자가조립 히알루론산 나노입자의 가능성을 규명하기 위해 연구를 진행하였음. 

 

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 

퇴행성 관절염은 비가역적 질병으로 수술적인 방법 이외에 치료제가 없음. 기존 연골 보호제로서 고분자 히알루론산을 퇴행성 관절염 치료제로 사용하지만 안정성 및 효과가 미흡함. 하지만 자가조립 히알루론산 나노입자는 기존 주입형 고분자량 히알루론산 보다 치료효과가 뛰어나며 안정적이기 때문에 기존 히알루론산의 단점 및 한계점을 극복하는 새로운 치료제로서의 기능을 할 수 있을 것으로 사료됨.

 

 

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

 

표적 특이적 약물전달체로서의 기능을 융합하여 특정 약물을 탑재하여 관절에 주입한다면 약물의 종류에 따라 관절염 치료효과를 극대화시킬 수도, 동시에 두 가지 이상의 표적을 제어할 수도 있을 것으로 판단됨. 그러므로 자가조립 히알루론산 나노입자 기반 플랫폼 기술을 활용하여 보다 효과적인 관절염 제어기술 뿐만 아니라 다양한 염증질환에도 적용할 수 있을 것으로 판단됨.