단백질을 모방한 나노 물질로 신경 퇴행성 질환 치료 가능

단백질의 행동을 모방하는 새로운 나노물질이 알츠하이머병을 비롯한 신경퇴행성 질환의 효과적인 치료법이 될 수 있을 것으로 기대됩니다. 이 나노물질은 뇌세포의 두 가지 핵심 단백질 간의 상호작용을 변화시켜 강력한 치료 효과를 나타낼 수 있습니다.

최근 Advanced Materials 저널 에 게재된 혁신적인 결과는 위스콘신-매디슨 대학의 과학자들과 노스웨스턴 대학의 나노소재 엔지니어들의 협업을 통해 가능해졌습니다.

이 연구는 알츠하이머병, 파킨슨병, 근위축성 측색 경화증(ALS) 등의 질병 발병에 관여하는 것으로 여겨지는 두 단백질 간의 상호작용을 바꾸는 데 초점을 맞추고 있습니다.

첫 번째 단백질은 Nrf2라고 불리는데, 이는 전사 인자라고 하는 특정 유형의 단백질로, 세포 내에서 유전자를 켜고 끄는 역할을 합니다.

Nrf2의 중요한 기능 중 하나는 항산화 효과입니다. 다양한 신경퇴행성 질환은 서로 다른 병리학적 과정에서 발생하지만, 뉴런과 다른 신경 세포에 대한 산화 스트레스의 독성 효과라는 공통점을 가지고 있습니다. Nrf2는 뇌세포의 이러한 독성 스트레스에 맞서 질병 발생을 예방하는 데 도움을 줍니다.

위스콘신-매디슨 대학교 약학대학의 제프리 존슨 교수와 그의 아내이자 동 대학의 선임 연구원인 델린다 존슨은 수십 년 동안 신경퇴행성 질환 치료의 유망한 표적으로 Nrf2를 연구해 왔습니다. 2022년, 존슨 부부와 동료들은 특정 유형의 뇌세포인 성상세포에서 Nrf2 활성을 증가시키면 알츠하이머병 마우스 모델에서 신경세포를 보호하여 기억력 감퇴를 현저히 감소시킨다는 사실을 발견했습니다.

이전 연구에서는 Nrf2 활동을 증가시키는 것이 알츠하이머병을 치료하는 기초가 될 수 있다고 제안했지만, 과학자들은 뇌의 이 단백질을 효과적으로 표적으로 삼는 데 어려움을 겪었습니다.

제프리 존슨은 "약물을 뇌에 투여하는 것은 어렵지만, 많은 부작용 없이 Nrf2를 활성화하는 약물을 찾는 것도 매우 어렵다"고 말했습니다.

이제 새로운 나노물질이 등장했습니다. 단백질 유사 고분자(PLP)로 알려진 이 합성 물질은 마치 단백질 자체인 것처럼 단백질에 결합하도록 설계되었습니다. 이 나노스케일 모방체는 노스웨스턴 대학교 화학과 교수이자 동 대학 국제 나노과학 연구소(International Nanoscience Institute) 소속인 네이선 지아넨키(Nathan Giannenchi)가 이끄는 연구팀에 의해 개발되었습니다.

지아네키는 다양한 단백질을 표적으로 하는 여러 PLP를 설계했습니다. 이 특정 PLP는 Nrf2와 Keap1이라는 또 다른 단백질 간의 상호작용을 변화시키도록 설계되었습니다. 이러한 단백질의 상호작용, 즉 경로는 Keap1이 Nrf2의 산화 스트레스 반응 및 억제 시기를 조절하기 때문에 여러 질환 치료에 널리 알려진 표적입니다. 정상적인 조건에서는 Keap1과 Nrf2가 연관되어 있지만, 스트레스를 받으면 Keap1이 Nrf2를 방출하여 항산화 기능을 수행합니다.

"단백질 상호작용의 치료적 표적화에 주력하는 스타트업인 그로브 바이오파마(Grove Biopharma)의 네이선과 동료들이 로버트에게 Nrf2를 표적으로 삼을 계획이라고 말한 것은 대화 중이었습니다."라고 존슨은 말합니다. "로버트는 '그렇게 할 거면 제프 존슨에게 연락해 봐.'라고 말했죠."

곧 존슨과 지아넨키는 위스콘신-매디슨 대학 연구실에서 지아넨키의 나노소재를 테스트하는 데 필요한 쥐 모델의 뇌 세포를 제공할 가능성에 대해 논의했습니다.

제프리 존슨은 PLP 접근법에 대해 처음에는 다소 회의적이었다고 말합니다. PLP 접근법에 대한 익숙함이 없었고 뇌 세포의 단백질을 정확하게 표적으로 삼는 것이 전반적으로 어려웠기 때문입니다.

"그런데 네이선의 학생 중 한 명이 여기 와서 우리 세포에 사용했는데, 정말 효과가 좋았어요."라고 그는 말한다. "그러고 나서 본격적으로 연구를 시작했죠."

이 연구에서는 지아네키의 PLP가 Keap1에 매우 효과적으로 결합하여 Nrf2가 세포핵에 축적되도록 하고 항산화 기능을 향상시킨다는 것을 발견했습니다. 중요한 것은 다른 Nrf2 활성화 전략을 방해하는 원치 않는 부작용을 유발하지 않으면서도 이러한 효과를 보였다는 것입니다.

이 연구는 배양된 세포에서 수행되었지만, 존슨과 지아네키는 이제 신경퇴행성 질환의 마우스 모델에서 비슷한 연구를 수행할 계획입니다. 이는 그들이 추진하게 될 것이라고는 예상하지 못했지만 이제는 추진하게 되어 기쁩니다.

델린다 존슨은 "저희는 생체재료를 연구할 전문성이 없습니다."라고 말합니다. "노스웨스턴 대학교에서 이 기술을 도입하고 위스콘신 대학교에서 생물학 분야를 더욱 발전시키는 것은 이러한 협력이 정말 중요하다는 것을 보여줍니다."