근적외선 감응형 광열 나노하이드로젤을 이용한 샤페론 매개 지방분해 기반 항비만 치료 전략
□ 연구의 의의
- 지방세포막 코팅 나노입자와 하이드로젤을 결합하여 지방조직 내 선택적 전달성과 체류성을 향상
- 근적외선 기반 mild photothermal stimulation을 통해 지방세포의 chaperone-mediated autophagy를 활성화하고, 지방분해를 유도하는 새로운 항비만 전략 제시
□ 저자 정보
(첫번째) 최재현 박사 (서울대학교 약학대학), cjhopen@snu.ac.kr, 공동제1저자
(두번째) 변준호 교수 (숙명여자대학교 약학대학), junho_byun@sookmyung.ac.kr, 공동제1저자
(세번째) 정호상 교수 (고려대학교 바이오의공학부), jhs0626@korea.ac.kr, 공동교신저자
(네번째) 이재우 교수 (고려대학교 약학대학), ljw1112@korea.ac.kr, 공동교신저자
(사진 없음) 오유경 교수 (서울대학교 약학대학), ohyk@snu.ac.kr, 공동교신저자
□ 연구 요약
비만은 제2형 당뇨병, 지방간, 이상지질혈증, 심혈관질환 등 다양한 대사성 질환의 주요 위험인자로, 전 세계적으로 중요한 보건 문제로 인식되고 있다. 최근 GLP-1 수용체 agonist 등 항비만 약물이 크게 주목받고 있으나, 장기 치료에 따른 전신 부작용, 치료 중단 후 체중 재증가, 특정 지방조직을 선택적으로 조절하기 어려운 등의 한계가 남아 있다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 국소 지방조직을 직접 표적화하고, 지방세포 내 지방분해 경로를 선택적으로 활성화하는 나노의약 기반 항비만 전략을 제시하였다.
본 연구에서 항비만 전략으로 활용한 핵심 기전은 chaperone-mediated autophagy(CMA)이다. CMA는 특정 단백질을 리소좀으로 전달해 선택적으로 분해하는 자가포식 경로로, 지방세포에서는 lipid droplet 표면 단백질인 perilipin 2(PLIN2)의 분해와 밀접하게 관련된다. PLIN2는 lipid droplet을 둘러싸 지방분해효소의 접근을 제한하는 보호막 역할을 한다. 따라서 CMA가 활성화되어 PLIN2가 분해되면 adipose triglyceride lipase(ATGL)가 lipid droplet에 접근할 수 있게 되고, triglyceride hydrolysis가 촉진된다.
연구진들은 이러한 CMA-PLIN2-ATGL 경로를 근적외선 기반 광열 자극으로 유도할 수 있는 약물전달시스템(ARNP-H)을 만들고, 이를 기반으로 한 지방 분해 효능을 지방세포에서 선택적으로 활성화할 수 있는지를 검증하였다. ARNP-H는 808 nm 근적외선 조사 시 mild heat stress를 발생시키는 polydopamine nanoparticle을 코어로 하며, 지방분해 관련 단백질 조절을 돕는 rosiglitazone을 탑재하였다. 또한 지방세포막으로 나노입자 표면을 코팅하여 지방세포 간 homotypic interaction을 활용한 선택적 흡수를 유도하는 ARNP 나노입자를 개발하였다. 여기에 hyaluronic acid-tyramine 기반 하이드로젤을 적용함으로써, 국소 주사 부위에서 나노입자가 오래 머무르고 반복적인 광자극이 가능하도록 하였다.
그림 1. ARNP-H 제형
기반 근적외선 매개 CMA 유도를 통한 항비만 작용 기전
ARNP 나노입자의 특성 분석으로 STORM imaging에서는 지방세포막
표지자인 prohibitin이 ARNP에서 확인되었고, SDS-PAGE 분석에서도 ARNP의 단백질 패턴이 지방세포막과
유사하게 나타났다. 또한 XPS와 EDS-TEM 분석을 통해 지방세포막 유래 인, polydopamine 유래
탄소와 질소, rosiglitazone 유래 황 성분이 확인되어
ARNP가 세포막 코팅, 광열 반응성, 약물
탑재 기능을 모두 갖춘 복합 나노소재임을 보여주었다.
그림 2. ARNP 의 in vitro (A-C), in vivo (D, E) 지방세포 선택적 나노입자 흡수
3T3-L1 지방세포에서 ARNP는 membrane coating이 없는 RNP보다 현저히 높은 세포 흡수를 보였으며, erythrocyte membrane-coated nanoparticle이나 NIH-3T3 cell membrane-coated nanoparticle보다도 지방세포에서 더 높은 uptake를 나타냈다. 반면 T 세포, 대식세포, 수지상세포 등 지방조직 내 다른 세포들에서는 ARNP의 선택적 흡수 증가가 뚜렷하지 않았다. In vivo inguinal white adipose tissue(ingWAT) 분석에서도 ARNP는 면역세포보다 지방세포에서 우선적으로 검출되어, 지방세포막 코팅이 지방세포 표적 전달성을 부여함을 확인하였다.
이후 연구진은 ARNP-H와 근적외선 조사를 이용해 지방세포 내 CMA와 지방분해가 실제로 활성화되는지를 평가하였다. 약 42 °C 수준의 mild heat stress는 세포 생존성을 유지하면서 HSC70 발현을 증가시키는 조건으로 확인되었다. ARNP-H 처리 후 근적외선을 조사하면 지방세포 내 lipid droplet의 크기와 수가 시간 의존적으로 감소하였고, BODIPY 염색과 triglyceride 정량 결과에서도 ARNP-H와 NIR 병용 처리군에서 지방 축적이 가장 크게 감소하였다. 또한 HSC70과 PLIN2, PLIN2와 lysosomal marker인 LAMP1의 colocalization이 증가하여, PLIN2가 리소좀으로 이동해 분해되는 과정이 촉진됨을 확인하였다.
그림 3. ARNP-H에 의한 CMA 광활성화 확인 (A, B) 및 in vivo 항비만 효과 (C-H) 검증
고지방식이(high-fat diet, HFD)로 유도한 비만 마우스 모델에서도 ARNP-H의 항비만 효과가 검증되었다. 연구진은 ingWAT에 ARNP-H를 국소 주사하고, 주사 후 1, 3, 5일에 근적외선을 조사하는 과정을 5주간 반복하였다. 하이드로젤에 포집된 ARNP-H는 ARNP 단독 처리보다 주사 부위에 오래 머물렀으며, 3일 이상 광열 반응성을 유지하였다. 반복 치료 후 ARNP-H와 NIR 병용군은 다른 처리군에 비해 체중 증가가 유의하게 억제되었고, 식이 섭취량에는 유의한 차이가 없어 체중 감소 효과가 섭식 감소가 아닌 지방조직 대사 조절에 의해 나타났음을 확인하였다.
지방조직 분석에서도 ARNP-H의 효과가 뚜렷하게 확인되었다. Micro-CT 분석 결과, ARNP-H와 NIR 처리군은 피하지방과 내장지방 부피가 모두 감소하였고, 적출한 ingWAT의 무게도 가장 낮았다. H&E 염색에서는 지방세포 내 lipid droplet 크기가 현저히 작아졌으며, ingWAT 내 triglyceride 함량도 크게 감소하였다. 또한 in vivo 단백질 분석에서 HSC70과 ATGL은 증가하고 PLIN2는 감소하였으며, lysosomal protease inhibitor 처리 조건에서는 PLIN2가 리소좀 내부에 축적되어 ARNP-H와 NIR이 PLIN2의 리소좀 분해를 촉진한다는 점을 직접적으로 보여주었다.
종합적으로, 본 연구는 지방세포막 코팅 나노입자와 하이드로젤 기반 국소 전달 시스템을 결합하여 지방세포 선택적 CMA 광활성화가 가능하다는 점을 제시하였다. ARNP-H는 지방세포에 우선적으로 전달되고, 근적외선 조사에 의해 HSC70 증가, PLIN2 리소좀 분해, ATGL의 lipid droplet 접근을 순차적으로 유도할 수 있었다. 이를 통해 지방세포 내 triglyceride 분해가 증가하고, 최종적으로 고지방식이 비만 마우스에서 체중 및 지방조직 부피가 유의하게 감소함을 확인할 수 있었다. 이는 기존 항비만 광치료가 주로 지방세포 사멸이나 산화 스트레스에 의존했던 것과 달리, 세포 생존성을 유지하는 mild heat 조건에서 지방세포의 내재적 단백질 분해 경로를 조절했다는 점에서 의의가 있다. 또한 본 연구에서 개발한 지방세포막 코팅 기술은 향후 다양한 약물과 생물학적 제제를 지방세포에 선택적으로 전달하는 플랫폼으로서, 추후 다른 질환으로의 적용 가능성을 탐색할 계획이다.
논문제목, 페이지번호, 발행년도
Selective Lipolysis by Photoactivation of Chaperone-Mediated Autophagy Using Adipocyte Membrane-Coated Nanoparticle in Hydrogel, Advanced Materials, e18445 (2025)
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