녹차 추출물, 당뇨로 발생한 상처 치료 효과 탁월- 당뇨병 만성 신체 손상에 대한 4배 치료 효과 기대

녹차 추출물, 당뇨로 발생한 상처 치료 효과 탁월- 당뇨병 만성 신체 손상에 대한 4배 치료 효과 기대

 

등록일 2016-12-06

 

 

 

녹차 추출물, 당뇨로 발생한 상처 치료 효과 탁월
- 당뇨병 만성 신체 손상에 대한 4배 치료 효과 기대 -
 
         
□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 한동욱 교수(부산대) 연구팀이 순도 높은 녹차 추출물과 히알루론산을 포함한 창상 피복재로, 당뇨병으로 발생한 피부 창상*을 세포에 독성을 나타내지 않으면서 탁월하게 치료가 가능함을 확인했다고 밝혔다.
   * 창상(wound) : 외부로부터 어떠한 힘에 의한 신체손상으로 피부, 점막, 뼈 등 조직의 파괴, 절단 또는 파열된 상태를 말한다.

□ 창상 피복재는 피부 상처가 외부로 노출되는 것을 방지하고 치유에 돕는 의료기기다. 경미한 상처에서 피하조직이 손상되는 등의 중한 상처까지 쓰인다. 때문에 치료 효과가 높은 창상 피복재를 개발하기 위한 많은 연구가 이루어진다.
 o 특히 당뇨병성 창상은 고혈당증으로 인한 혈관 기능 장애, 비정상적인 콜라겐 대사, 산화성 스트레스, 감염 등의 문제로 단시간 내 치유하기 어렵다. 치료와 관리 또한 까다롭고 당뇨 합병증으로  번질 위험성도 내포되어 있다.

□ 한동욱 교수팀은 녹차 추출 항산화 성분인 에피갈로카테킨 갈레이트  (이하 EGCG)*와 피부 보습 작용의 천연물질 히알루론산**이 함유된  생분해성 고분자(PLGA)*** 나노섬유 시트를 제작했다.
   * 에피갈로카테킨 갈레이트(epigallocatechin-3-O-gallate, EGCG): 녹차 추출물 카테킨 성분 중 대표적 화합물로서 항산화 효과, 항암 작용, 항염증 효과 등 다양한 약리학적 활성을 지닌다고 알려져 있다.
   ** 히알루론산(hyaluronic acid, HA): 인체에서 만들어진 탄수화물의 한 종류로서 피부보습과 재생 효과, 항균   작용, 상처치유 효과, 세포외 기질(extracellular matrix) 구성 등의 생리적 활성을 지니고 있으며, 피부보습용 기능성 화장품 원료로 많이 사용된다.
   *** 생분해성 고분자[poly(lactic-co-glycolic acid, PLGA)] : 분해 과정에서 생물의 대사가 관여하여 저분자량 화합물로 변하는 고분자 물질을 말한다.
 o 연구팀은 개발한 나노섬유 시트의 당뇨병 창상 치료 효과가 시트 미부착 대조군보다 치료 효과가 4배 이상 높다는 것을 쥐를 통해 확인했다.
 o 시트 내 EGCG와 히알루론산의 복합 작용이 상처 부위에서 항산화 작용을 하고 혈관재생(revascularization)을 증진시켰다.
 o 또한 개발된 시트는 벗어진 살갗 표면이 다시 증식하는 재상피화를 촉진하고, 피부를 구성하는 섬유아세포의 세포 외 기질의 재구성을 향상시켰다. 세포 외 기질은 콜라겐과 같은 단백질과 각종 다당류로, 등의 여러 세포들 사이의 공간을 채우는 물질이다.
 o EGCG와 히알루론산을 복합적으로 사용하여 당뇨병성 피부 창상 치료 효과와 피부 재생효과를 확인한 연구는 이번이 최초다. 각각의 물질을 단독으로 사용한 연구는 기존에 보고된 바 있다.
 o 교수팀은 해당 실험에서 순도 98% 이상의 EGCG를 이용, 기존의 상용화된 EGCG로는 기대가 어려운 치유 효과를 확인했다.

□ 한동욱 교수는 “이번 성과로 창상 피복재를 이용한 상처 치료 효과를 더욱 극대화시킬 수 있게 되었다”며, “더불어 만성 창상으로 고통을 겪는 당뇨 환자들에게 반가운 소식이 될 것으로 기대한다”고 연구의 의의를 밝혔다.

□ 한국연구재단 및 미래창조과학부 원천연구사업(바이오·의료기술 개발)의 지원을 통해 거둔 이번 연구성과는 생체의공학 분야 국제저명학술지인 ‘어드밴스드 헬스케어 머터리얼즈(Advanced Healthcare Materials)’ 온라인판에 11월 2일자로 게재되었다.

<참고자료> : 1. 논문의 주요내용
             2. 연구결과 개요
             3. 연구이야기
             4. 용어설명
             5. 그림설명

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Hyaluronic Acid/PLGA Core/Shell Fiber Matrices Loaded with EGCG Beneficial to Diabetic Wound Healing
   - 저자 정보 : 신용철(제1저자, 부산대), 신동명(공동 제1저자, 부산대), 이은지(부산대), 이종호(부산대), 김지은(부산대), 송성화(부산대), 황대연(부산대), 이준재(서울대), 김봉주(서울대학교 치과병원), 임도형(세종대), 현승휴(일본 교토공예섬유대학), 임영준(교신저자, 서울대), 한동욱(교신저자, 부산대)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
   ○ 피부는 인체의 가장 외부에 위치한 방어벽으로써 손상되었을 때 인체는 외부의 오염 및 병원균 등에 무방비 상태로 노출되게 된다. 이런 피부 상처의 치유에 도움을 주고 치유과정 동안 외부로 노출되는 것을 방지하기 위해 사용되는 의료기기가 창상 피복재이다. 따라서 최근에는 창상 피복재를 개발하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.
   ○ 당뇨병 환자의 경우에는 고혈당증*(hyperglycemia)으로 인해 상처의 치유가 크게 지연되며 합병증으로도 이어질 수 있기 때문에 당뇨병성 창상 치유를 위한 창상 피복재 개발에 대한 요구가 높은 실정이다.
     ＊ 혈액 속의 포도당 농도(혈당)가 비정상적으로 상승한 상태.

 2. 연구 내용
   ○ 창상 치료나 피부 재생 효과를 지닌 것으로 알려진 EGCG와 히알루론산을 복합적으로 사용하기 위하여 동축 전기방사법(coaxial electrospinning)을 통해 이중구조 나노섬유 시트를 제작하였다.
   ○ 이중구조 나노섬유의 코어(core)에는 히알루론산을 담지하였고, 쉘(shell)에는 생분해성 고분자인 PLGA와 EGCG를 혼합하여 제작하였으며, 당뇨병에 걸린 쥐의 등에 상처를 낸 뒤 나노섬유 시트를 부착하여 당뇨병성 창상 치료효과를 확인하였다.

 3. 연구 성과
   ○ 초기에는 이중구조 나노섬유 겉표면인 쉘(shell)의 PLGA가 시간이 지남에 따라 분해되면서 혼합되어 있는 EGCG가 방출되어 항산화/항염증 효과, 항균 작용, 혈관 재생 등의 약리적 활성을 보였고, 이후에는 코어(core)에 담지된 히알루론산이 확산에 의해 방출되면서 세포외 기질 재구성, 피부 재생 등의 효과를 나타냈다.
   ○ 연구팀이 제작한 나노섬유 시트의 당뇨병성 창상 치료 효과가 창상 피복재를 부착하지 않은 대조군보다 4배 이상 획기적으로 향상되었음이 동물실험을 통해 입증되었다.
   ○ 이러한 나노섬유 시트의 당뇨병성 창상 치료 효과의 작용 기전은 상처 부위에서의 재상피화(re-epithelialization), 세포외 기질 재구성(extracellular matrix re-organization), 혈관재생(revascularization) 등과 같은 EGCG와 히알루론산의 시너지 효과에 의한 것임을 면역조직화학 분석법(immunohistochemistrycal analysis)과 분자 분석법(molecular analysis)을 통해 검증하였다.
   ○ 나노 섬유로 이루어진 시트의 경우, 부피에 비해 표면적이 매우 크고, 높은 기공성을 보유 하고 있기 때문에 기존 스펀지형태의 창상 피복재의 단점을 보완해 상처 부위에서의 치료 효과를 극대화 할 수 있어, 차세대 창상 피복재로의 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
 ㅇ 일반적으로, 표피 및 진피 전부와 그 이하 조직까지 손상을 받은 상처인 전층 피부 창상(full-thickness wound)은 치유되는데 오랜 시간이 걸리고, 추가적인 치료가 필요하다. 특히, 당뇨병성 창상의 경우에는 고혈당증(hyperglycemia)으로 인한 혈관 기능 장애(vascular dysfunction), 비정상적인 콜라겐 대사(abnormal collagen metabolism), 산화성 스트레스(oxidative stress), 감염(infection) 등의 문제로 상처 치유가 크게 지연된다. 따라서 이러한 문제를 해결하고자 당뇨병성 창상 치유 및 피부 재생을 위한 새로운 창상 피복재 개발에 대한 요구가 높은 실정이다.

 2. 연구내용
  ㅇ 연구팀은 창상 치료나 피부 재생 효과를 나타낸다고 알려진 EGCG와 히알루론산의 효능을 극대화하기 위하여 동축 전기방사법(coaxial electrospinning)을 통해 이중구조 나노섬유 시트를 제작하였으며, 시트의 물리․화학적 특성 분석을 통해 초기에는 쉘(shell)의 PLGA가 분해되면서 혼합되어 있는 EGCG가 방출되고, 이후에는 코어(core)의 히알루론산이 확산에 의해 방출되면서 EGCG와 히알루론산의 시너지 효과를 통해 우수한 당뇨병성 창상 치유 효과를 낼 것이라 예상하였다.
  ㅇ 사람의 진피 섬유아세포(normal human dermal fibroblast)를 이용한 생체외 실험(in vitro)에서 이중구조 나노섬유 시트가 세포에 독성을 나타내지 않으며, 세포의 부착과 증식을 향상시키는 것을 확인하였다.
  ㅇ 당뇨병에 걸린 쥐를 통한 생체내 실험(in vivo)에서 연구팀이 제작한 이중구조 나노섬유 시트가 당뇨병성 창상의 회복을 획기적으로 향상시킨다는 것을 확인하였고, 면역조직화학 분석법(immunohistochemical analysis)과 분자 분석법(molecular analysis)을 통해 이들의 작용 기전을 규명하였다.
  ㅇ 연구팀이 제작한 이중구조 나노섬유 시트의 당뇨병성 창상 치료 효과는 상처 부위에서의 재상피화(re-epithelialization), 세포외 기질 재구성(extracellular matrix re-organization), 혈관재생(revascularization) 등과 같은 EGCG와 히알루론산의 시너지 효과에 의한 것임이 검증되었다. 특히, 이번 연구에 참여한 현승휴 교수가 제공한 고순도의 EGCG(순도 98% 이상)를 이용해, 기존의 상용화된 EGCG(순도 90% 전후)로는 기대하기 어려웠던 탁월한 상처 치유 효과를 보인 것으로 나타났다.

3. 기대효과
  ㅇ 이중구조 나노섬유 시트의 넓은 표면적과 높은 기공성을 바탕으로 기존 스펀지형태의 창상 피복재의 단점을 보완하는 차세대 창상 피복재 개발에 크게 기여할 것으로 예상된다.
  ㅇ 다양한 약리적 활성을 갖는 EGCG와 히알루론산을 복합적으로 이용함으로써 자가 치유 능력이 상당히 떨어져 있는 당뇨환자의 창상 회복을 향상 시킬 수 있는 새로운 창상 피복재 개발에 있어 획기적인 도움이 될 것으로 전망된다.
  ㅇ 이번 연구를 통해 전층 피부 창상 치료뿐만 아니라, 만성 창상으로 고통을 겪고 있는 당뇨환자들을 위한 창상 피복재 개발에 다양하게 적용될 것으로 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

전층 피부 창상 치료를 위해 다양한 생체재료를 활용한 창상 피복재가 개발돼 임상에 적용되고 있으나, 실제 인체에서의 피부 재생 과정이 매우 복잡하고, 특히 자가 치유 능력이 상당히 떨어져 있는 당뇨환자에서는 그 효과가 충분하지 못했다. 따라서 창상 치료나 피부 재생 효과를 나타낸다고 알려진 EGCG와 히알루론산을 복합적으로 사용하여 당뇨병성 창상 치료를 향상시키기 위한 창상 피복재를 개발하고자 연구를 시작하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

EGCG와 히알루론산을 복합적으로 사용하기 위하여 이중구조 나노섬유 시트를 동축 전기방사법(coaxial electrospinning)을 통해 제작하였다. 제작한 시트의 물리․화학적 특성을 분석하여 창상 피복재로 응용되기 위한 적절한 구조 및 물성을 갖는다는 것을 확인하였고, EGCG와 히알루론산이 나노섬유 시트로부터 지속적으로 방출된다는 것을 확인하였다. 이후, 사람의 진피 섬유아세포(normal human dermal fibroblast)를 이용하여 시트의 생체적합성을 확인하였고, 당뇨병에 걸린 쥐의 등에 상처를 낸 뒤 나노섬유 시트를 부착하여 당뇨병성 창상 치료효과를 확인하였다. 면역조직화학 분석법(immunohistochemical analysis)과 분자 분석법(molecular analysis)을 통해 이들의 작용 기전을 분석한 결과, 이중구조 나노섬유 시트의 당뇨병성 창상 치료 효과는 상처 부위에서의 재상피화(re-epithelialization), 세포외 기질 재구성(extracellular matrix re-organization), 혈관재생(revascularization) 등과 같은 EGCG와 히알루론산의 시너지 효과에 의한 것임이 검증되었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

생분해성 고분자를 이용한 나노섬유 구조체는 많이 연구가 이루어지고 있지만 이중구조 나노섬유를 제작하는 것은 새로운 도전 과제였다. 따라서 다양한 농도의 EGCG와 히알루론산을 다양한 조건에서 동축 전기방사해봄으로써 이중구조 나노섬유를 제작하는 최적의 조건을 설정하였고, 물리․화학적 특성 분석을 통해 제작한 시트가 창상 피복재로 응용되기 위한 적절한 구조 및 물성을 갖는다는 것을 확인 하였다. 또한 제작한 시트의 창상치유 효과를 분석하기 위해서 면역조직화학 분석법과 분자 분석법을 시행하였고, 이를 통해 이중구조 나노섬유 시트의 창상치유 효과에 대한 작용 기전까지 밝혀내는데 성공하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

다양한 약리적 활성을 갖는 생체재료를 이용한 창상 치료에 대한 연구는 많이 진행되고 있으나, 여러 물질을 복합적으로 사용해 그 효능을 극대화시키려는 연구는 보고된 적이 없었다. 이번 연구는 우수한 상처 치료 촉진 효과를 갖는 EGCG와 히알루론산을 복합적으로 사용하였고, 이중구조 나노섬유라는 특수한 구조로 제작함으로써 기존 창상 피복재의 단점을 보완하면서도 탁월한 상처 치유 효과를 갖는 시트를 제작 할 수 있었다. 이번 결과는 본 연구팀의 연구내용과 분석방법이 세계적인 수준임을 증명하는 쾌거라고 생각된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

본 연구결과를 토대로 실제로 당뇨환자들을 위한 창상 피복재로의 상용화 가능성을 확인하고자 한다. 관련연구를 심화 지속하여 의공학계의 발전에 실질적인 기여를 하고자 한다. 더 나아가서는 다양한 생체재료를 이용하여 만성질환으로 고통 받는 환자들에게 부작용 없이 효율적인 치료를 할 수 있는 치료제를 개발하여 환자들과 그 가족들의 고통을 더는데 일조하고자 한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

이번 연구에 대해서 학술대회 등에서의 발표를 통해 많은 관심을 받았으며, 또한 유용한 질문을 받았었다. 예를 들어 “연구실 수준의 실험결과를 실제 생활에 적용할 수 있는가?” 등과 같은 개발 기술의 실제적인 상용화와 활용 분야에 대한 내용이 추후 연구 추진을 위해 도움이 되었다.

용 어 설 명

1. 에피갈로카테킨 갈레이트(epigallocatechin-3-O-gallate, EGCG)
  ○ 녹차잎 추출물 카테킨 성분 중 대표적 화합물로서 항산화 효과, 항암 작용, 항염증 효과 등 다양한 약리학적 활성을 지닌다고 알려져 있다.

2. 히알루론산(hyaluronic acid, HA)
  ○ 인체에서 만들어진 탄수화물의 한 종류로서 피부보습과 재생 효과, 항균 작용, 상처치유 효과, 세포외 기질(extracellular matrix) 구성 등의 생리적 활성을 지니고 있으며, 피부보습용 기능성 화장품 원료로 많이 사용된다.

3. 창상(wound)
  ○ 외부로부터의 어떠한 힘에 의한 신체손상으로 피부, 점막, 뼈 등 조직의 파괴, 절단 또는 파열된 상태를 말한다.

4. 이중구조 나노섬유(core-shell nanofiber)
  ○ 나노섬유(nanofiber)란 일반적으로 100~800nm 굵기의 섬유를 의미하며, 이는 사람 머리카락의 약 1/1,000~1/2,000 굵기 수준이다. 나노섬유의 발전된 형태인 이중구조 나노섬유(core-shell nanofiber)는 코어(core)와 쉘(shell)에 사용되는 고분자들의 다양한 특성을 발현할 수 있는 특징이 있고 코어(core)와 쉘(shell)에 각기 다른 기능성 약물이나 인자를 담지할 수 있어 약물전달시스템으로 관심이 증대되고 있다.

5. 동축 전기방사법(coaxial electrospinning)
  ○ 전기방사(electrospinning)는 전기적으로 하전된 고분자 용액에 고전압을 걸어주어 나노섬유를 제조하는 공정이다. 동축 전기방사는 두 개의 연결된 노즐을 통해 같은 전압을 걸어 혼합된 작은 방울을 형성해 방사함으로써 코어(core)에 둘러싸인 나노섬유(core-shell nanofiber)를 제조하는 공정이다.

6. 고혈당증(hyperglycemia)
  ○ 혈액 속의 포도당 농도(혈당)가 비정상적으로 상승한 상태.

그 림 설 명

그림 1. 녹차 유래 항산화 성분(EGCG)과 히알루론산이 함유된 이중구조 나노섬유 시트를 이용한 당뇨병성 창상 치료의 모식도

그림 2. 이중구조 나노섬유에 함유된 EGCG와 히알루론산의 방출거동. 초기에는 이중구조 나노섬유의 쉘(shell)에서 PLGA가 시간이 지남에 따라 분해되면서 혼합되어 있는 EGCG가 방출되어 항산화/항염증 효과, 항균 작용, 혈관 재생 등의 약리적 효과를 보였고, 이후에는 코어(core)에 담지된 히알루론산이 확산에 의해 방출되면서 세포외 기질 재구성, 피부 재생 등의 효과를 나타냈다.

그림 3. 당뇨병성 피부 창상 치유 효능 비교 그래프. 당뇨병에 걸린 쥐의 등에 상처를 낸 뒤 나노섬유 시트를 부착하여 당뇨병성 창상 치료효과를 확인하였다. 그 결과, 녹차성분이 함유된 이중구조 나노섬유 시트의 당뇨병성 창상 치료 효과는 창상 피복재를 부착하지 않은 대조군보다 4배 이상 획기적으로 향상되었음을 입증하였다. 이러한 당뇨병성 창상 치료 효과는 상처 부위에서의 재상피화(re-epithelialization), 세포외 기질 재구성(extracellular matrix re-organization), 혈관재생(revascularization) 등과 같은 EGCG와 히알루론산의 시너지 효과에 의한 것임이 검증되었다.