GO/RGD/AST 기반 다기능성 바이오인터페이스 제조 및 응용을 설명하는 이미지. (사진=부산대 제공)

눈 건강, 피부 탄력 등에 탁월한 것으로 알려진 ‘아스타잔틴’이 함유된 상처 치유 패치가 개발돼 항산화·항염 특효가 기대된다.

부산대학교는 나노과학기술대학 광메카트로닉스공학과 홍석원 교수 연구팀이 최근 세포 내 활성 산소의 과잉생산을 억제하는 활성화물질인 아스타잔틴(AST)이 담지된(loaded) 초박형 그래핀 옥사이드(산화 그래핀) 필름으로 항산화·항염에 효과가 있는 패치를 개발하는 데 성공했다고 20일 밝혔다.

연구팀은 용액 증발형 플로우 코팅 기술을 활용해 적층 구조의 산화 그래핀 나노박막을 제조하고, 여기에 생체 활성물질(RGD 및 AST)을 증착함으로써 세포 부착력과 항산화 활성을 지닌 ‘생체흡수성 다기능 GO/RGD/AST 패치’를 개발했다.

인간의 피부는 자외선·오존 등 환경적 요인의 지속적인 노출로 인해 과도한 수준의 활성 산소가 생성되고, 장기적으로 축적되면 세포의 손상 및 노화가 발생한다. 또한 상처 치유 또는 염증과 같은 다양한 병리학적 상태에서 ROS가 발생해 산화 스트레스를 유발하므로 ROS의 균형을 맞추는 것은 매우 중요한 문제로 여겨진다.

이번 연구의 핵심인 아스타잔틴은 고유한 화학적 특성과 구조로부터 비롯된 강력한 항산화 효능으로 산화 스트레스 관련 질병 및 만성 염증을 예방하고 피부 질환의 치료에 활용될 수 있다.

또, 함께 쓰인 RGD는 세포 접착, 이동, 증식 및 분화를 조절해 세포 행동을 제어하는 생체 활성 리간드(분자에 결합하는 물질)로, 세포 부착 및 성장을 향상시킨다.

이를 활용해 연구팀에서 개발한 GO/RGD/AST 패치는 세포 접착 및 증식에 좋은 미세 환경을 제공함과 동시에 효과적인 항균 및 항산화, 항염 특성을 보였다. 또 히알루론산(Hyaluronic acid) 필름을 지지층으로 활용해 상처 부위 보호 및 습윤 환경을 유지함으로써 상처 ​​드레싱 소재로의 폭넓은 활용과 피부 질환 치료의 새로운 전략으로서의 적용 가능성을 확인했다.

아스타잔틴(AST)은 활성산소 제거에 영향을 미치고 자외선에 의한 과산화지질의 생성을 억제하는 강력한 항산화 물질로 알려져 있다. 하지만, 구조적인 이중결합을 가진 불포화 복합성분이기 때문에 제조 및 저장 시 열 또는 빛에 의해 쉽게 분해되기도 한다. 이 경우 AST의 활성이 저하되고 항산화 능력이 상실될 수 있다.

한편, 산화 그래핀(GO)은 흑연을 산화시켜 만든 초박형 나노물질이다. 높은 표면적, 우수한 기계적·전자적 및 열적 특성이 있어 바이오센서, 약물 전달 시스템, 세포 배양 플랫폼 및 전자 장치 등 다양한 분야에 활용되고 있으며, 항균 활성 및 세포와의 생체적합성을 향상시키기 때문에 상처 치유 매개체로서 주목받고 있다.

즉, 아스타잔틴(AST)과 산화 그래핀(GO)의 화학적 결합은 단단히 결합된 GO 표면으로 인해 구조적 안정성과 항산화 활성을 유지할 수 있었다.

따라서, RGD 및 AST로 표면 개질된 GO 기반 복합체의 형성은 세포 접착 및 증식을 향상시키는 RGD의 특성을 유지하면서 AST의 구조적 안정성을 확보하고 고유한 항산화 활성을 유지하는 데 기여해 약물 전달용 스캐폴드로의 잠재적 가치를 지니게 됐다. 이 같은 결과는 기초 연구를 조직 공학 분야로 확장하는 새로운 개념을 제시했다.

특히, 용액 증발형 자기조립 기술로 제조한 GO/RGD/AST 필름은 대장균과 황색포도상구균에 대한 물리화학적 손상을 야기함으로써 우수한 항균 효과를 보였다. 또한, 과산화수소(H₂O₂)로 유도된 세포 내 ROS를 효과적으로 억제했으며, 염증유발물질 LPS(Lipopolysaccharide)가 유도된 독성을 제어 및 회복시킴으로써 세포를 보호해, 강력한 항산화 및 항염증 효과를 나타냈다.

이에 따라, AST의 항산화, 항균 및 항염 효과를 기반으로 GO 및 RGD 펩타이드와 결합해 각각의 나노 캐리어로서의 장점을 극대화함으로써 낮은 생체이용률을 극복할 수 있다.

이렇게 개발된 새로운 나노 캐리어는 상처 치유를 돕기 위해 세포 증식 및 염증 과정에 참여할 수 있다. 매우 효과적으로 사용돼 산화 스트레스에 의해 매개되는 다양한 염증성 질환을 치료할 수 있고, 상처 치유를 포함한 피부 질환 치료에 적용할 수 있으므로 조직 재생 및 조직 공학 분야에서의 다양한 활용 가능성을 보여준다.

연구책임을 맡은 부산대 홍석원 교수는 “이번 결과는 연구팀에 의해 개발된 생체흡수성 다기능 초박형 나노구조 필름이 나노 캐리어를 이용한 아스타잔틴의 유망한 항균, 항산화 및 항염 활성을 나타내면서, 활성의 증진과 더불어 안정성을 확보했다는 점에서 중요한 의미가 있다”고 밝혔다. 홍 교수는 특히 “이 기술은 검증된 항산화 효능을 통해 약물 전달 및 상처 치유를 포함한 피부 질환 치료에 새로운 전략이 될 수 있으며, 따라서 조직 재생 및 조직 공학 분야 발전에 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 한국연구재단의 박사 후 국내 연수과제의 지원을 받아, 부산대 광메카트로닉스공학과 홍석원 교수를 교신저자로, 채선영 박사와 박로운 박사과정생의 주도로 진행됐다. 연구 성과는 바이오소재 분야의 세계적인 학술지인 '바이오머티리얼즈 리서치(Biomaterials Research)' 7월 6일자에 게재됐다.