Biocompatible Transition Metal Dichalcogenide Nanosheets for Treatment of Inflammatory Diseases via Scavenging ROS and RNS

Abstract

체내에서 과발현된 활성산소종 및 활성질소종은 패혈증, 대장염, 관절염과 같은 다양한 염증성 질환의 발병 기전에 참여한다. 따라서 항산화제를 이용하여 세포와 조직에서 적절한 수준으로 활성산소 및 활성질소의 양을 제어함으로써 염증성 질환을 효과적으로 치료하는 것은 매우 중요하다. 그러나 염증성 질환에 대한 기존의 항산화 치료법은 낮은 안정성, 부족한 활성, 낮은 내구성, 그리고 세포 독성 등을 내재하고 있는 유기 항산화제로 인해 그 효과가 제한되었다. 그러므로 염증성 질환을 치료하기 위해서는 생체 친화적이며 보다 안정적이면서도 지속적인 활성을 보이는 새로운 항산화 소재를 개발해야 한다. 전이금속 디칼코제나이드는 MoS2, WS2, MoSe2, WSe2 등을 대표적으로 포함하고 있으며, 고유한 물리적, 화학적 특성을 가진 층상 구조 물질이다. 특히, 전이금속 디칼코제나이드는 구성하는 층의 수에 따라 고유한 전자 구조를 가지는 특성이 있어, 이차원의 전이금속 디칼코제나이드 나노시트는 촉매, 센서, 전자 장치, 에너지 저장 및 변환 장치 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 최근에는 전이금속 디칼코제나이드 나노시트를 다양한 질병의 진단 및 치료를 위한 바이오센서 및 치료용 나노소재로 활용하는 연구가 진행되고 있다. 이차원 전이금속 디칼코제나이드 나노시트의 효과적인 생물학적, 약학적 응용을 위해서는 전이금속 디칼코제나이드를 수중에서 손쉽게 그 크기를 조절할 수 있으면서 기능을 부여할 수 있는 합성 방법에 대한 개발이 필요하다.

본 학위 논문의 첫 번째 주제는 전이금속 디칼코제나이드의 표면과 양친성 폴리카프로락톤-폴리에틸렌글리콜 블록 공중합체 (PCL-b-PEG)의 소수성 상호작용을 조절하여 수중 박리 및 기능화 효율을 조절하는 것이다. 고분자의 소수성 부분인 PCL의 길이를 5000 g mol-1 에서 460 g mol-1 까지 조절하였을 때, 고분자 간의 상호작용보다 고분자-전이금속 디칼코제나이드 간의 상호작용이 주요하게 일어나 수중에서 박리 효율이 좋아지는 것을 확인하였다. 이렇게 박리된 전이금속 디칼코제나이드 나노시트는 45 nm의 사이즈와 3 nm의 두께를 가진다. 또한 전이금속 디칼코제나이드 나노시트가 강한 A-여기자적 흡광을 보이며, 고유의 형광 및 라만 산란 신호를 방출하는 것을 확인하여 대부분 단일층으로 박리된 것을 확인하였다. 박리된 이차원 전이금속 디칼코제나이드 나노시트는 HaCaT 사람 피부각질세포 및 HS-68 사람 피부 섬유아세포에 뛰어난 생체적합성을 보였다.

본 연구의 두 번째 주제는 PCL460-b-PEG5000으로 박리한 전이금속 디칼코제나이드 (460-TMD: 460-MoS2, 460-WS2, 460-MoSe2, 460-WSe2)를 새로운 항산화제로써 활성산소 및 활성질소의 소거 기능을 탐구한 것이다. 전이금속 디칼코제나이드 나노시트는 기존의 대표적인 유기 항산화제인 비타민 E의 유도체 (Trolox)보다 뛰어나면서도 지속적인 라디칼 소거능을 보였다. 각각의 전이금속 디칼코제나이드 나노시트는 수산기 라디칼, 초산화물, ABTS 라디칼에 대하여 다른 소거 경향을 보임을 확인하였다. 전자 상자성 공명 (EPR) 분광 장비와 범밀도 함수 이론 (DFT) 계산법을 이용하여 작용 원리를 탐구하였으며, 라디칼의 매개로 한 전이금속 디칼코제나이드의 산화 및 산화된 전이금속 디칼코제나이드에서 라디칼로의 수소 전달 과정이 전이금속 디칼코제나이드의 활성산소 소거에서 결정적인 과정이라는 것을 제안하였다. 그 중 460-WS2를 이용하여 HaCaT 사람 피부각질세포의 산화적 스트레스를 효과적으로 완화시킬 수 있음을 확인하였다.

본 연구의 세 번째 주제는 과발현된 활성산소와 활성질소를 매개로 하여 비정상적인 전신 염증반응을 일으키는 심각한 염증성 질환인 패혈증을 치료하는 데에 전이금속 디칼코제나이드 나노시트를 항산화 치료제로써 적용한 것이다. 460-전이금속 디칼코제나이드 나노시트는 과산화수소, 초산화물, 수산기 라디칼, 산화질소에 대하여 뛰어난 소거 성능 및 지속성을 보였다. 460-WS2, 460-MoSe2 및 460-WSe2 나노시트는 지질다당질 (LPS)로 염증을 유도한 세포의 미토콘드리아와 그 외 세포 안에서 발생된 활성산소와 활성질소 또한 효과적으로 제거하였다. 그 중 460-WS2 나노시트가 항염증성 사이토카인이나 활성산소를 생성에 관여하는 효소에 영향을 주지 않으면서 활성산소 및 활성질소만을 제거하여 과도한 염증성 사이토카인의 분비를 가장 효율적으로 억제함을 확인하였다. 460-WS2 나노시트는 전신 염증을 경감시킴으로써 중증의 패혈증 동물 모델에 적용하였을 때 90%의 생존율을 보였으며, 약물 동태를 관찰한 결과, 정맥 주사한 WS2 나노시트는 3일 후에 체외로 배출됨을 확인하였다.

이러한 결과는 본 연구에서 개발된 이차원 전이금속 디칼코제나이드 나노시트가 항산화 치료제로써 활성산소 및 활성질소 연관 질병에 효과적인 치료가 가능함을 입증한다. 이차원 전이금속 디칼코제나이드 나노시트 항산화제는 다른 염증성 질병의 치료에 확장하여 활용할 수 있을 것으로 기대된다.; Excessive production of reactive oxygen species (ROS) and reactive nitrogen species (RNS) in a human body is involved in the pathogenesis of various inflammatory diseases such as sepsis, colitis, and arthritis. Hence, it is of great significance to properly regulate the amount of ROS and RNS produced in cells and tissues using antioxidants for the effective treatment of inflammatory diseases. The conventional antioxidant therapies for inflammatory diseases, however, have exhibited a very limited efficacy due to the low stability, poor activity, low durability and cytotoxicity of previous organic antioxidants. Thereby, it is required to develop novel antioxidant materials with excellent biocompatibility, and improved stability, and prolonged scavenging activity for the treatment of inflammatory diseases. Transition metal dichalcogenides (TMDs), including MoS2, WS2, MoSe2, and WSe2, are the emerging layered materials with unique physical and chemical properties. In particular, TMDs exhibit layer numbers-dependent electronic band structures, making two-dimensional (2D) TMD nanosheets attractive for their applications in diverse research fields, including catalysis, sensing, electronics, and energy storage and conversion. Recently, 2D TMD nanosheets have been exploited as biosensing and therapeutic nanomaterials for the diagnosis and therapy of various diseases. For the effective applications of 2D TMD nanosheets in biology and medicine, it is required to develop an effective strategy for facile control over their dimensions and functions in aqueous solutions.

In the first part of the thesis, an approach for the simultaneous exfoliation and functionalization of 2D TMD nanosheets in aqueous solutions was developed through the modulation of the hydrophobic interaction between the basal planes of TMDs and poly(ε-caprolactone)-b-poly(ethylene glycol) (PCL-b-PEG). Decreasing the hydrophobic PCL length of PCL-b-PEG from 5000 g mol-1 (PCL5000) to 460 g mol-1 (PCL460) significantly increased the exfoliation efficiency of TMD nanosheets because the polymer–TMD hydrophobic interaction became dominant over the polymer–polymer interaction. As-prepared TMD nanosheets were 45 and 3 nm in a lateral size and a height, respectively. In addition, the TMD nanosheets exhibited strong A-excitonic absorption, characteristic fluorescence, and Raman scattering, suggesting that they were mainly monolayers. The exfoliated 2D TMD nanosheets exhibited excellent biocompatibility against HaCaT human keratinocytes and HS-68 human skin fibroblasts.

In the second part, the TMD nanosheets exfoliated by PCL460-b-PEG5000 (460-MoS2, 460-WS2, 460-MoSe2, and 460-WSe2) were employed as novel antioxidants for scavenging of ROS and RNS. All the TMD nanosheets showed more excellent and prolonged radical scavenging activities than a conventional organic antioxidant, Trolox. In addition, each type of TMD displayed a different scavenging tendency against hydroxyl, superoxide, and 2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) (ABTS) radicals. A mechanistic study based on electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy and density functional theory (DFT) simulations suggested that the radical-mediated oxidation of TMD nanosheets and the hydrogen transfer from the oxidized TMDs to radicals were the crucial steps for effective and prolonged ROS scavenging. Finally, the 460-WS2 nanosheets were successively applied for the effective reduction of oxidative stress in HaCaT human keratinocytes.

In the third part, the TMD nanosheets were employed as therapeutic antioxidants for the treatment of sepsis, which is the most severe inflammatory disease with an aberrant systemic inflammatory response mediated by excessive production of ROS and RNS. 460-TMD nanosheets showed excellent scavenging activity and sustainability for hydrogen peroxide, superoxide, hydroxyl radical, and nitric oxide. The 460-WS2, 460-MoSe2, and 460-WSe2 nanosheets effectively scavenged mitochondrial and intracellular ROS and RNS in lipopolysaccharide (LPS)-stimulated inflammatory cells. Among the nanosheets, 460-WS2 nanosheets had most effectively suppressed the secretion of various inflammatory cytokines along with scavenging ROS and RNS while they did not affect the expression levels of the anti-inflammatory cytokine and ROS-producing enzymes. 460-WS2 nanosheets significantly improved the survival rate up to 90% for severely septic mice by reducing systemic inflammation. The pharmacokinetics of 460-WS2 nanosheets suggested that the WS2 nanosheets were completely excreted from the mice in three days after intravenous injection.

These results clearly demonstrate the potential of 2D TMD nanosheets as therapeutic antioxidants for the effective treatment of a variety of ROS and RNS-related diseases. The use of 2D TMD nanosheet antioxidants can be extended for the therapy of other inflammatory diseases.