코로나19 이후 우리 모두는 폐 건강에 대해 더 많이 인식하게 되었다.

그러나 천식과 만성폐쇄성폐질환(COPD)이 있는 사람들에게 폐 문제를 다루는 것은 평생의 싸움이다. COPD 환자는 염증이 심한 폐 조직으로 인해 부어오르고 기도가 막혀 호흡이 어려워진다. 이 질병은 미국에서만 연간 300만 건이 넘는 사례가 발생하는 흔한 질병이다.

관리가 가능하더라도 치료법은 없다. 한 가지 문제는 COPD가 있는 폐가 엄청난 양의 점성 점액을 펌핑하여 치료법이 폐 세포에 도달하는 것을 막는 장벽을 형성한다는 것이다. 기침을 하지 않으면 끈적끈적한 물질이 박테리아를 끌어들여 상태를 더욱 악화시킨다.

사이언스 어드밴시스의 새로운 연구에서는 잠재적인 해결책을 설명한다. 과학자들이 항생제를 폐로 운반하는 나노운반체를 개발했다. 생물학적 우주선과 마찬가지로 운반체에는 감염과 싸우기 위해 점액층 내부에 항생제를 열고 방출하는 "문"이 있다.

"문" 자체도 치명적이다. 작은 단백질로 만들어지며 박테리아 막을 찢고 DNA를 청소하여 폐 세포의 만성 감염을 제거한다.

연구팀은 나노캐리어를 사용하여 흡입 가능한 버전의 항생제를 설계했다. COPD 쥐 모델에서 이 치료법은 단 3일 만에 폐세포를 부활시켰다. 그들의 혈중 산소 수치는 정상으로 돌아왔고, 이전의 폐 손상 징후도 천천히 치유되었다.

“이 면역항균 전략은 COPD 관리의 현재 패러다임을 바꿀 수 있다.”고 팀은 기사에서 썼다.

나를 숨쉬게 하다.

폐는 매우 섬세하다. 얇지만 유연한 세포층이 엽으로 분리되어 체내로 산소 흐름을 조정하는 데 도움을 준다. 공기가 기관을 통해 흐르면 복잡한 가지 네트워크 사이로 빠르게 분산되어 신체에 산소를 공급하는 동시에 이산화탄소를 제거하는 수천 개의 공기 주머니를 채운다.

이러한 구조는 쉽게 손상되며 흡연이 일반적인 유발 요인이다. 담배 연기는 주변 세포에서 기도를 막고 기낭을 코팅하는 끈적끈적한 물질을 배출하게 하여 기낭이 정상적으로 기능하기 어렵게 만든다.

시간이 지나면 점액은 박테리아를 유인하고 생물막으로 응축되는 일종의 "접착제"를 만든다. 장벽은 산소 교환을 더욱 차단하고 폐 환경을 박테리아 성장에 유리한 환경으로 바꾼다.

하향 나선형을 멈추는 한 가지 방법은 박테리아를 제거하는 것이다. 광범위 항생제가 가장 널리 사용되는 치료법이다. 그러나 끈적끈적한 보호층으로 인해 폐 조직 내부 깊은 곳에 있는 박테리아에 쉽게 도달할 수 없다. 더 나쁜 것은 장기간 치료하면 항생제 내성 가능성이 높아져 완고한 박테리아를 박멸하는 것이 더욱 어려워진다는 것이다.

하지만 보호층에는 약점이 있다. 단지 약간 시큼하다는 것이다. 문자 그대로.

개방 정책

레몬처럼 끈적끈적한 층은 건강한 폐 조직에 비해 약간 더 산성이다. 이러한 특징은 팀에게 산성 환경에서만 페이로드를 방출하는 이상적인 항생제 운반체에 대한 아이디어를 제공했다.

연구팀은 유연한 생체재료인 실리카로 속이 빈 나노입자를 만들었으며, 여기에 일반적인 항생제를 채우고 약물을 방출하기 위한 "문"을 추가했다.

이러한 개구부는 "자물쇠"처럼 작동하는 추가적인 짧은 단백질 서열에 의해 제어된다. 정상적인 기도 및 폐 환경에서는 문이 접혀서 본질적으로 거품 내부의 항생제를 격리한다.

COPD가 있는 폐에서 방출되는 국소 산성도는 잠금 단백질의 구조를 변경하므로 문이 열리고 항생제가 점액과 생물막으로 직접 방출된다. 이는 본질적으로 박테리아 방어를 뚫고 박테리아의 홈 잔디를 목표로 삼는다.

혼합물에 대한 한 가지 테스트는 페트리 접시에 있는 실험실에서 배양한 생물막에 침투했다. 이전 유형의 나노입자에 비해 훨씬 더 효과적이었다. 주로 생물막 내부에서 캐리어의 문이 열렸기 때문이다. 다른 나노입자에서는 항생제가 갇혀 있는 상태로 남아 있었다.

또한 이동통신사는 감염된 지역을 더 깊이 파고들 수도 있다. 세포에는 전하가 있다. 운반체와 점액은 둘 다 음전하를 띠고 있는데, 이는 두 자석의 유사하게 전하를 띤 끝과 마찬가지로 점액과 생물막 층을 통해 운반체를 더 깊게 밀어낸다.

그 과정에서 점액의 산성도가 천천히 운반체의 전하를 양전하로 변경하여 생물막을 지나면 "잠금" 메커니즘이 열리고 약물이 방출된다.

연구팀은 또한 박테리아를 제거하는 나노입자의 능력을 테스트했다. 접시에서 그들은 여러 가지 일반적인 유형의 감염성 박테리아를 제거하고 생물막을 파괴했다. 치료는 비교적 안전한 것으로 나타났다. 접시에 담긴 인간 태아 폐 세포에 대한 테스트에서는 독성 징후가 거의 발견되지 않았다.

놀랍게도 운반체 자체도 박테리아를 파괴할 수 있다. 산성 환경에서는 양전하가 박테리아 막을 파괴한다. 터진 풍선처럼 벌레는 유전 물질을 주변 환경으로 방출했고, 운반자는 이를 휩쓸었다.

화재 진압

폐의 세균 감염은 과도한 면역 세포를 유인하여 부기를 유발한다. 기낭을 둘러싼 혈관도 투과성이 있게 되어 위험한 분자가 통과하기가 더 쉬워진다. 이러한 변화는 염증을 유발하여 호흡을 어렵게 만든다.

COPD 쥐 모델에서 흡입 가능한 나노입자 치료는 과잉 활성 면역체계를 진정시켰다. 여러 유형의 면역 세포가 건강한 수준으로 활성화되어 쥐가 염증이 심한 프로필에서 감염 및 염증에 맞서 싸우는 프로필로 전환할 수 있게 되었다.

흡입 가능한 나노입자로 치료받은 쥐는 운반체가 없는 동일한 항생제를 투여받은 쥐에 비해 폐에 박테리아가 약 98% 적었다.

박테리아를 제거하자 쥐는 안도의 한숨을 쉬었다. 그들은 더 쉽게 숨을 쉬었다. 혈중 산소 수치가 올라갔고, 위험할 정도로 산소가 낮다는 신호인 혈중 산성도가 정상으로 돌아왔다.

현미경으로 관찰한 결과, 치료된 폐는 COPD 손상으로부터 천천히 회복되는 더 견고한 공기 주머니와 함께 정상적인 구조를 회복했다. 치료받은 쥐는 또한 폐 손상에서 흔히 볼 수 있는 체액 축적으로 인해 폐가 덜 붓는 현상을 보였다.

결과는 유망하지만 생쥐의 흡연 관련 COPD 모델에만 해당된다. 치료의 장기적인 결과에 대해 우리가 아직 모르는 것이 많다.

현재로서는 부작용의 징후는 없었지만 시간이 지남에 따라 나노입자가 폐 내부에 축적되어 결국 손상을 일으킬 가능성이 있다. 그리고 운반체 자체가 세균막을 손상시키기는 하지만 치료는 대부분 캡슐화된 항생제에 의존한다. 항생제 내성이 증가함에 따라 일부 약물은 이미 COPD에 대한 효과를 잃고 있다.

그러면 시간이 지남에 따라 기계적 손상이 발생할 가능성이 있다. 실리콘 기반 나노입자를 반복적으로 흡입하면 장기적으로 폐 흉터가 발생할 수 있다. 따라서 나노입자가 COPD 관리 전략을 바꿀 수 있지만 후속 연구가 필요한 것은 분명하다고 팀은 썼다.

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