항염증효과를 위한 활성산소/활성질소 감응형 고분자 소재 개발

Abstract

활성산소종과 활성질소종은 인체 내 항상성을 조절하는 신호분자로써 다양한 역할을 수행한다고 알려져 있다. 그 중 활성산소종은 산소를 포함하는 화학 종으로 세포내 미토콘드리아 막에서 만들어진다. 전자전달계에서 생긴 전자로 인해 슈퍼옥사이드 이온이 생기고 일련의 과정을 통해 다양한 활성산소종들이 생성되게 된다. 활성질소종은 질소를 포함하는 화학 종으로 대식세포를 포함한 면역세포에서 주로 생성된다. 세포내의 일산화질소 합성 효소에 의해 아르기닌을 시트룰린으로 산화시킴으로써 부산물로 일산화질소를 만들어낸다. 일산화질소는 산소나 다른 전자들을 만나 다양한 활성질소종들을 생성시킨다. 이러한 활성산소종과 활성질소종 (활성종)들은 생리학적 조건에서 신호전달 매개체로써의 기능을 한다. 특히 단백질을 통해 신호를 전달하고 세포의 증식과 생존에 관여하며 인체시스템을 감독하고 조절한다. 또한 외부 병원체로부터 우리 몸을 보호하는 기능도 한다. 이 활성종들은 평상시 인체내의 항산화제와 균형을 이루며 체내 항상성을 유지하는데 유전적 또는 환경적인 이유로 항산화제의 기능이 저하되거나 활성종들이 농도가 높아지게 되면 균형이 깨지면서 산화스트레스가 생성되게 된다. 생성된 산화스트레스는 우리 몸에 필수적인 DNA, 단백질, 지질 등을 변성 시켜 조직에 손상을 가하거나 신호전달체계를 교란시킬 수 있다. 이는 노화를 가속화시키고, 지속될 경우 암, 류마티스 관절염, 루푸스, 복막염 등과 같은 염증성 질환들을 유발시킨다. 이러한 질환을 치료하기 위해 본 연구에서는 고분자 기반의 활성종 감응성 물질을 개발하고자 하였다. 활성종 감응성 물질은 염증 환경을 특이적으로 인식할 수 있으며, 때문에 약물전달체로도 응용될 수 있다. 특히 활성종에 감응함으로써 활성종의 레벨을 줄여 포집능 물질로써 개발될 수 있을 것이다. 또한 생체적합성이 높고 자극감응성을 부여하기 쉽다는 점에서, 이러한 고분자의 도입은 항염증제 개발을 보다 용이하게 만들 것이다. Chapter Ⅰ 에서는 생리적 환경에서 활성종들의 역할들과 과도하게 생성된 활성종들로부터 유발되는 질병들에 대해 논의하고 기존의 고분자 기반의 염증성 질환 치료를 위한 사례와 본 연구의 방향성에 대한 전략에 대해 간략이 기술하였다. Chapter Ⅱ 에서는 활성질소종을 포집 할 수 있는 나노젤을 설계하여 류마티스 관절염 치료에 응용하였다. 류마티스 관절염은 자가면역질환으로 여러 합병증으로도 이어질 수 있는 난치병 중 하나로 관절이 붉어지면서 붓고, 심하면 변형될 수 있다. 평소 건강한 사람의 경우 관절에서는 뼈 파괴와 뼈 생성이 균형을 이루지만 류마티스 관절염 환자의 경우에는 뼈 파괴 활동이 우세한 것을 알 수 있다. 이는 과발현 된 대식세포가 염증성 사이토카인과 일산화질소를 과도하게 발현시켜 파골세포를 활성화시키기 때문이다. 따라서 일산화질소를 포집하는 것은 류마티스 관절염을 완화시키는 하나의 치료법이 될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 일산화질소 감응성이 있는 오페닐렌다이아민 그룹을 이용하여 단량체와 가교할 수 있는 가교제를 만들었고, 이를 아크릴아마이드 단량체와 라디컬 중합시켜 나노젤을 형성시켰다. 이렇게 개발한 나노젤은 새포 내 실험에서 우수한 일산화질소 포집능을 보여주었고, 류마티스 관절염이 걸린 동물모델에 관절 주사로 주입하였을 때 관절의 일산화질소와 만나 감응하고, 일산화질소 레벨을 낮추어 관절염 진행정도를 효과적으로 완화시킴을 확인하였다. 특히 상업적 약물보다 뛰어난 항염증효과로 미루어 보아 본 연구에서 개발된 활성질소 포집능 나노젤은 추 후 관련된 염증성 질환의 치료제로 응용될 수 있는 가능성을 보여 주었다. Chapter Ⅲ 에서는 활성산소종을 포집 할 수 있는 나노젤을 설계하여 복막염 치료에 응용하였다. 복막염은 복막에 염증이 생긴 급성 염증성 질환으로 혈관과 림프관이 많이 포진되어 있는 복막에 염증이 생김으로써 단순한 복통과 발열에서 심하면 사망까지 이르는 치사율이 높은 질병이다. 박테리아나 곰팡이로부터 복막이 오염되면 평소보다 높은 농도의 활성산소가 생성되기 시작하며 면역세포들이 염증성 사이토카인들을 분비시켜 염증이 심해지게 된다. 따라서 활성산소를 포집하는 것은 복막염 치료의 한가지 대안이 될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 활성산소종에 감응할 수 있는 페닐보론에스터 그룹의 도입을 위해 고분자화된 페닐보론산과 항산화제인 탄닌산을 도입하였다. 고분자의 페닐보론산과 탄닌산의 결합을 통해 간단히 나노젤을 형성시켰고, 새포 내 실험에서 높은 항산화효과와 항염증효과를 확인 하였다. 개발된 나노젤을 복막염이 유도된 동물모델에 처리하였을 때 효과적으로 염증 수치를 떨어뜨리는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 Chapter Ⅱ 에서는 활성질소종 중 일산화질소에 감응하는 고분자화된 물질을 개발하여 염증성 질환 치료를 간단히 구현하였으며 Chapter Ⅲ 에서는 활성산소종 중 하나인 과산화수소에 감응하는 소재를 설계하였다. 더 나아가 항산화제인 탄닌산을 도입함으로써 보다 향상된 항산화효과와 항염증효과를 확인 할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 개발된 물질은 우수한 치료효과를 바탕으로 활성종이 과발현된 다양한 염증성 질환 치료제로써 추 후 응용될 수 있을 것이다.

Reactive oxygen and nitrogen species (RONS) play a key role in physiological conditions as signaling molecules for regulating homeostasis in the human body. However, abnormally increased RONS levels can damage DNA, protein, and tissue, or even impair cellular signaling. Consequently, when the state is prolonged for a long time, it can lead to severe inflammatory disorders, such as lupus, peritonitis, diabetes, rheumatoid arthritis, Crohn’s disease, and neurodegenerative disorders. In this thesis, polymer-based RONS scavenging materials for treating the aforementioned inflammatory diseases are presented. In chapter I, we overview the general role of RONS in the immune system under physiological conditions and further show adverse effects-driven from overexpressed RONS, and introduce RONS-related inflammatory diseases. Lastly, we discuss polymer-based traditional therapy for treating inflammatory diseases and further suggest therapeutic treads in this field and the direction of this study. In chapter Ⅱ, we describe nitric oxide scavenging nanogels for treating rheumatoid arthritis (RA) which is one of the life-threatening diseases. The abnormal macrophage in the RA lesion secretes a much higher concentration of NO compared with the normal one. Especially, at the initial stage of RA, nitric oxide can aggravate the progress of RA. Therefore, suppressing increased nitric oxide levels in lesions is essential for treating RA. In order to achieve this goal, NO-scavenging nanogels (NO-Scv gel) were designed via radical polymerization with NO-scavenging crosslinker and acrylamide as the polymer backbone. The synthesized NO-Scv gels showed high NO scavenging efficiency compared with NOX gel crosslinked with N, N’-methylene bis-acrylamide. Additionally, the therapeutic effect of the nanogels in suppression of the onset of arthritis in each paw of mice was as effective as dexamethasone, a commercial anti-rheumatoid arthritis drug in a collagen-induced mouse model in DBA/1mice which is general rheumatoid arthritis mouse models. Therefore, our findings may suggest a potential biomedical application for clinical translation. In chapter Ⅲ, we present reactive oxygen species scavenging nanogels for treating peritonitis which is known as a severe inflammatory disease. In similar to NO, Reactive oxygen species (ROS) are also key signaling molecules in the human body. Despite their importance under normal conditions, abnormal overproduction of ROS under unbalanced or irregular homeostasis can cause severe inflammatory diseases. Although various antioxidants have been developed in the biomedical field to reduce overproduced ROS, high doses of natural antioxidants such as polyphenol can induce side effects on health. Further, synthetic antioxidants are still controversial in regards to their safety and their complicated synthesis. Herein, we report biocompatible tannic acid (TA)-based nanogels as an effective ROS scavenger. A polymeric phenylboronic acid-tannic acid nanogels (PTNG) were prepared by simply mixing through to the formation of phenylboronic ester bonds between polymeric phenylboronate and TA. We focused on the reaction of phenylboronic ester with H2O2, which readily consumes H2O2 molecules, and applied it as an antioxidant. In addition, TA is a well-known antioxidant, specifically a free radical scavenger; thus, we expected combinatory ROS scavenging effects for PTNG. In vitro, PTNG showed high biocompatibility as well as strong anti-inflammatory effects, furthermore, in vivo, PTNG reduced significant neutrophil recruitment and pro-inflammatory cytokines. Consequently, we suggest that PTNG has great potential as an antioxidant and would be applied for treating ROS-overproducing inflammatory diseases further.