고려대학교 바이오의공학부

단백질 코로나, 알츠하이머 치료제 개발 도울 실마리
아밀로이드 올리고머 표적 고효율 약물 스크리닝 기술 개발

윤대성-이규도 교수 공동연구팀, 네이처 커뮤니케이션즈 논문 게재

▲ 왼쪽부터 이동택 고려대 바이오의공과 석박사 통합과정(제1저자) , 이정훈 교수(교신저자), 이규도 교수(교신저자), 윤대성 교수(교신저자)

알츠하이머병의 원인으로 밝혀진 아밀로이드 베타(Amyloid-β, Aβ) 올리고머를 나노입자 표면에 합성하고 이를 이용해 아밀로이드 베타 올리고머를 분해하는 화합물이나 생체단백질을 빠르게 발굴할 수 있는 길이 열렸다.

보건과학대학 바이오의공학과 윤대성 교수 연구팀은 생명과학대학 생명정보공학과 이규도 교수, 광운대 이정훈 교수, 경희대 황교선 교수와 공동으로 나노입자 표면에 단백질 코로나 형태로 아밀로이드 베타 올리고머를 합성, 수많은 화합물 가운데 올리고머만 선택적으로 분해하는 화합물을 탐색(스크리닝)할 수 있는 플랫폼을 개발했다.
* 단백질 코로나(protein corona) : 마치 태양의 코로나처럼 단백질들이 나노입자 표면에 응집해 이룬 응집체를 뜻함. 태양의 상층부 대기를 뜻하는 코로나는 태양 주변으로 뻗어 나오는 형상이 왕관(corona)을 닮았다 하여 붙여진 이름. 

이번 성과로 인해 화합물을 탐색하는 데 걸리는 시간을 기존 수 일에서 하루 이내(예: 3~6 시간)로 단축, 알츠하이머 치료제 후보물질 발굴에 새로운 활기가 될 것으로 기대된다. 고가인 아밀로이드 베타를 아주 조금(기존 대비 50배 이하)만 사용해도 되는 것도 장점이다.

현재 알츠하이머병의 주요 원인물질로 아밀로이드 베타 플라크에서 아밀로이드 베타 올리고머로 초점이 맞춰지고 있다. 그러나 순수한 올리고머 합성과 정제가 어려운데다 올리고머를 표지할 수 있는 형광물질도 없어 이를 표적으로 하는 약물 후보물질을 대량으로 탐색하기가 쉽지 않았다.

연구팀은 플라즈모닉 나노입자 표면에 단백질 코로나 형태로 순수한 아밀로이드 베타 올리고머 만을 코팅하는데 성공하였으며, 후보화합물에 의해 단백질 코로나가 분해될 시 나노입자 표면이 노출, 나노입자가 서로 응집하여 흡광도 변화를 유도, 용액이 적색으로 변하는 원리를 이용하여 약물탐색 플랫폼을 개발했다. 
 * 플라즈모닉 나노입자 : 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 띄는 금속나노입자
 * 국소화 표면 플라즈모닉 현상 : 금속 나노입자와 빛이 반응하여 일어나는 광학적 특성. 나노입자의 크기 및 구조에 따라서 독특한 흡광특성을 나타냄

형광물질이나 추적을 위한 추가적인 처리 없이 용액 색 변화로 올리고머를 선택적으로 분해하는 화합물이나 생체단백질을 선별할 수 있도록 한 것이다.

실제 알츠하이머 완화에 도움이 된다고 알려진 저분자 화학물질 6종 및 생체 내 아밀로이드 베타를 제거하는 생체단백질 2종을 이용해 이 플랫폼을 검증했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업, 원천기술개발사업 및 4단계 BK21 사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 1월 27일 게재됐다.

 * 논문명 : Plasmonic nanoparticle amyloid corona for screening Aβ oligomeric aggregate-degrading drugs
 * 저널명 : Nature Communications

 * 저   자 : 윤대성 교수 (고려대, 교신저자), 이규도 교수 (고려대, 교신저자) 이정훈 교수 (고려대, 교신저자, 이동택 박사과정 (고려대, 1저자), 박동성 박사과정 (고려대), 이상원 박사 (고려대), 이원석 박사 (고려대), 황교선 교수 (경희대)

 [ 그 림 설 명 ]

(그림 1) 플라즈모닉 나노입자 아밀로이드 코로나 (PNAC)을 이용한 비색법 약물 스크리닝. (a) PNAC의 복합체 형성 과정. (b, c) 형성과정의 TEM 이미지. (d) 약물 처리에 따른 아밀로이드 코로나의 분해 양상 Cryo-TEM 이미지. (e) PNAC을 이용한 비색법 약물 스크리닝.
플라즈모닉 나노입자를 기반으로 하여, 아밀로이드 베타 (Amyloid-β, Aβ)를 증착시켜 단백질 코로나 형태로 플라즈모닉 나노입자 아밀로이드 코로나 (PNAC)을 합성함. 이 기술은 나노입자 응집에 의한 국소 플라즈몬 공명 (Localized surface plasmon resonance, LSPR) 현상을 기반으로 하여 용액의 색 변화를 통해 (비색법) 약물의 효능을 정량적으로 평가하는 기술임.

(그림 2) PNAC 표면의 아밀로이드 코로나 형태분석. (a, b) 그래핀-항체 바이오센서를 이용한 아밀로이드 코로나 구성 검증. (c) PNAC의 표면전하 및 크기 분석. (d) XPS를 이용한 PNAC의 성분 분석. (e) PNAC의 동결-건조 테스트 결과
PNAC 표면에 존재하는 아밀로이드 코로나의 형태적 특성을 파악하기 위해 그래핀-항체 바이오센서를 이용함. Aβ 특이적 6E10 항체, 올리고머 특이적 A11 항체 및 피브릴 특이적 항체 OC를 통해서 아밀로이드 코로나의 형태적 특성을 알츠하이머의 주 원인 물질로 알려진 Aβ 올리고머임을 검증함. 또한, 다양한 생화학적 검증 방식을 통해 균일한 아밀로이드 코로나가 PNAC 표면에 형성됨을 확인함.

(그림 3) PNAC을 이용한 다양한 단백질 분해 효소의 Aβ 분해기작 검증
Aβ를 분해할 수 있는 단백질 효소로 알려진 Protease XIV와 Metrix metallopeptidase 9 (MMP-9)을 통해 Aβ 올리고머 분해 효능을 정량적으로 분석함. 특히, MMP-9의 경우는 Aβ의 구성의 종류 (Aβ(1-42) 또는 Aβ (1-40)에 따라 분해 활성이 극명히 다름을 규명함. 또한, 효소 활성을 극저농도 (10 fg/ml) 수준에서 검출이 가능함을 확인함.

(그림 4) 비색법 약물 스크리닝 기술을 이용한 다양한 저분자 물질들을 이용한 검증 (a-e) EGCG, curcumin, glutathione, rutin 그리고 tramiprosate 처리에 따른 PNAC의 흡광도 변화, (f) 용량-반응 관계 (dose-response relationship)로 모델링한 각각의 약물의 분해효과 정량화 (g) 이에 따른 파라미터 (Hillslope, ECG50, Maximal Efficacy), (h) Max efficacy/EC50으로 나타낸 각각의 약물의 아밀로이드 분해 효능

PNAC을 이용하여 알츠하이머 치료에 도움이 된다고 알려진 저분자 물질들의 Aβ 올리고머 분해효과를 정량적으로 분석함. 이런 분석결과들을 바탕으로 본 연구팀이 개발한 약물 스크리닝 플랫폼은 알츠하이머 주 원인물질로 알려진 Aβ 올리고머 제거할 수 있는 약물을 발굴하는데 활용할 수 있음을 검증함

 커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)

 
출처: http://korea.ac.kr/user/boardList.do?boardId=474633&siteId=university&page=2&search=&column=&boardType=02&listType=&id=university_060108000000&parent=&boardSeq=489636&command=albumView&chkBoxSeq=&chkBoxId=&chkBoxPos=&chkBoxDepth=&chkBoxFamSeq=&warningYn=N&categoryId=&categoryDepth=&totalYn=&searchDate1=&searchDate2=