“최근 다양한 질환에서 염증 악화의 핵심 요인으로 활성산소종(ROS, Reactive Oxygen Species)이 주목받고 있습니다. 이 포스팅에서 과잉축적된 ROS를 체내 제거 및 치료법의 최신지견에 대해 정리했습니다.“
염증성 질환은 단순한 면역 반응을 넘어, 우리 몸의 전신 건강에 큰 영향을 미칩니다. 최근 연구에서는 염증 악화의 핵심 요인으로 활성산소종(ROS, Reactive Oxygen Species)이 주목받고 있습니다. 적절한 수준의 ROS는 세포 신호 조절에 필수적이지만, 과잉 축적되면 세포 손상과 만성 질환의 원인이 됩니다.
이에 따라 ROS를 효과적으로 제어하기 위한 생체 재료 기반 치료 전략이 빠르게 발전하고 있습니다. 이 글에서는 ROS의 생성·제거 메커니즘부터, ROS 제거 생체 재료의 필요성, 그리고 최신 연구 동향까지 정리하여 소개합니다. 의학적 지식과 최신 과학 연구를 바탕으로, 염증성 질환 치료의 새로운 패러다임을 함께 살펴보겠습니다.
염증의 정의 및 문제점
염증은 유해 자극에 대한 우리 몸의 기본적인 방어 반응입니다. 침입하는 병원균과 이물질을 제거하여 항상성을 회복하는 중요한 과정이죠. 하지만 염증 반응이 과도하게 활성화되면 숙주에게 해를 끼쳐 암, 패혈증, 자가면역 질환 등 다양한 질병을 유발할 수 있습니다. 염증은 열, 통증, 발적, 부종과 같은 임상 증상을 동반하며, 감염 및 조직 손상에 의해 광범위하게 유발되는 복잡한 생물학적 과정입니다. 예를 들어, 코로나19(COVID-19) 역시 폐렴을 가장 흔한 합병증으로 동반하는 염증성 질환입니다. 염증은 대부분의 인간 질병과 관련되어 있으며, 현재까지도 가장 복잡하고 어려운 의학적 과제 중 하나로 남아 있습니다.
활성산소종(ROS)의 정의 및 역할
ROS는 분자 산소의 불완전 환원 후에 생성되는 화학 물질의 한 종류입니다. 적정 수준의 ROS는 염증 반응을 포함한 다양한 생리적 기능 조절에 중요한 신호 분자역할을 합니다. 그러나 과도한 수준의 ROS는 독성 효과를 발휘하여 단백질, 핵산, 지질과 같은 생체 고분자를 직접 산화시키고, 염증 반응의 발달을 더욱 악화시켜 다양한 염증성 질환을 유발합니다. ROS는 주로 수산화 라디칼(·OH), 초과산화물 음이온(O2−), 단일항 산소(1O2), 과산화수소(H2O2)를 포함합니다.
ROS 제거 생체 재료의 필요성 및 이점
ROS를 제거하는 생체 재료의 설계 및 제조는 ROS 항상성을 회복하고, 염증 반응을 제한하며, 숙주를 손상으로부터 보호하는 중요한 접근 방식으로 부상했습니다. ros 제거 생체 재료는 ROS의 생성과 제거의 균형을 직간접적으로 조절하여 염증을 완화합니다. 코르티코스테로이드 및 비스테로이드성 항염증제와 같은 전통적인 항염증 약물은 위장 및 심혈관 합병증, 신부전 등 여러 장기에 영향을 미치는 부작용을 유발할 수 있습니다. 따라서 ros 제거 생체 재료는 염증 치료에 현재 사용 가능한 임상 약물을 보완하는 강력한 수단으로 주목받고 있습니다.
ROS의 생리적 균형: 생성 및 제거 메커니즘
ROS 균형의 중요성
정상적인 생리적 조건에서 세포 내 ROS의 생성과 제거는 다양한 경로를 통해 동적으로 균형을 이루어 ROS가 상대적으로 낮은 수준으로 유지됩니다. 이 균형이 안정적일 때 ROS는 조절되지 않은 염증 반응을 일으키지 않고 전형적인 생리적 역할을 수행합니다. 그러나 ROS의 과잉 생산 및/또는 불충분한 제거는 높은 수준의 ROS를 유발하여 과도한 염증을 초래할 수 있습니다. 따라서 ros 제거 생체 재료의 작동 메커니즘과 원리를 이해하기 위해서는 생리적 조건에서 ROS의 균형을 파악하는 것이 필수적입니다.
ROS 생성 메커니즘
ROS는 주로 세 가지 주요 메커니즘을 통해 생성됩니다.
- 미토콘드리아 전자 전달 사슬(METC)
- 대부분의 활성산소종(ROS)은 미토콘드리아 전자 전달 사슬(METC)에서 발생합니다.
세포가 연료를 태워 에너지를 만드는 과정에서, 전자는 미토콘드리아 내막(MIM)을 가로질러 양성자를 이동시키는 힘을 만들어냅니다. 이 과정에서 대부분의 전자는 안전하게 전달되어 에너지 생산에 사용됩니다. - 하지만 일부 전자는 복합체 I, II, III 단계에서 조기에 누출될 수 있습니다.
이 전자들은 산소와 결합하여 초과산화물(O2·−)을 만들고, 이는 다시 과산화수소(H2O2)로 전환됩니다.
또한 미토콘드리아 막의 투과성이 높아지면 이렇게 생성된 ROS가 세포질로 새어나와 신호 전달 체계를 교란하거나, 단백질·지질 같은 세포 구성 요소를 손상시켜 염증을 유발할 수 있습니다.
- 대부분의 활성산소종(ROS)은 미토콘드리아 전자 전달 사슬(METC)에서 발생합니다.
- 세포 효소의 부산물
- ROS는 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 인 산화 효소(NOX), 잔틴 산화환원효소(XOR), 리폭시게나아제(LOX)와 같은 여러 세포 효소의 부산물로도 생성됩니다.
- NOX 계열: NOX 계열은 NOX-1부터 NOX-5, 이중 산화효소(DUOX)-1 및 DUOX-2를 포함하는 7개의 구성원으로 이루어진 다중 단백질 복합체입니다. NOX는 NOX 촉매 서브유닛을 통해 ROS를 생성하며, 이는 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 인산(NADPH)에서 분자 산소로 전자를 전달하는 것을 촉매합니다. 모든 NOX 중에서 DUOX와 NOX-4는 주로 H2O2를 생성하는 반면, 다른 NOX는 주로 초과산화물을 생성합니다. NOX-2는 호흡 폭발(respiratory burst) 동안 ROS를 생성하며, 이 과정에서 O2·−는 H2O2로 불균등화되고 다른 ROS로 전환됩니다.
- XOR (잔틴 산화환원효소): XOR은 잔틴을 요산으로 수산화하는 것을 촉매하는 효소입니다. XDH와 XO의 두 가지 형태로 존재하며, XO는 O2를 최종 전자 수용체로 사용하여 ROS를 생성할 수 있습니다.
- LOX (리폭시게나아제): LOX는 아라키돈산(AA)과 다중 불포화 지방산(PUFA)의 산소화를 촉매하여 하이드로퍼옥실 유도체를 생성하는 효소 그룹입니다. LOX 촉매 대사 과정에서 ROS는 AA 하이드로퍼옥사이드의 불안정한 부산물로 생성됩니다. 또한 5-, 12-, 15-LOX에 의해 생성된 류코트리엔은 NADPH 산화효소를 유도하여 ROS 생성을 활성화합니다.
- 전리 방사선(IR)
- 전리 방사선(IR)은 ROS의 또 다른 원천입니다. 일반적으로 IR 노출 시 ROS 생성은 물 방사선 분해(water radiolysis)로 인해 발생합니다. 특히, 감마선 및 X-선을 포함한 낮은 선형 에너지 전달(LET) IR은 물 분자의 여기 및 이온화를 유도하여 ROS(주로 자유 라디칼)를 생성합니다. 반응성 라디칼은 다른 물 및 산소 분자와 반응하여 간접적인 효과를 통해 더 많은 반응성 라디칼을 생성할 수 있습니다.
ROS 제거 메커니즘
- 우리 몸은 ROS 항상성을 유지하기 위해 항산화 네트워크를 통해 고반응성 ROS를 제어합니다.
- 항산화 네트워크의 역할
- 유기체의 항산화 시스템은 우리 몸을 지키는 산화 방어 장치라고 할 수 있습니다. 이 시스템은 산화될 수 있는 물질보다 상대적으로 낮은 농도로 존재하면서, 체내에서 일어나는 산화를 지연시키거나 막아주는 역할을 합니다. 중요한 점은, 이 시스템이 ROS를 무조건 크게 줄여버리는 것이 아니라는 것입니다. 오히려 ROS가 본래의 신호 전달이나 방어 기능을 수행할 수 있을 만큼은 유지하면서, 과잉으로 축적되지 않도록 균형을 잡아주는 것이 핵심입니다.
- ROS 제거 시스템 구성
- 우리 몸의 ROS 제거 시스템은 꽤 복잡하게 이루어져 있습니다. 기본적으로는 초과산화물 디스뮤타아제(SOD), 카탈라아제(CAT), 글루타티온 퍼옥시다아제(GPx) 같은 내인성 항산화 효소가 중심을 이루고 있습니다. 여기에 더해 비타민, 베타카로틴, 코엔자임 Q, 셀레늄, 아연과 같은 저분자 항산화 물질들이 함께 작용하면서, 과도한 ROS를 조절하고 세포를 보호하는 역할을 합니다.
- ROS 제거 시스템 1 : 내인성 항산화 효소
- 내인성 항산화 효소는 촉매 작용을 통해 ROS를 효과적으로 제거하여 염증을 예방합니다.
- SOD (초과산화물 디스뮤타아제): 인간에서 발견되는 SOD는 세포질 CuZn-SOD(SOD1), 미토콘드리아Mn-SOD(SOD2), 세포외(SOD3) SOD 효소로 나뉩니다. SOD는 ROS 제거의 첫 번째 방어선으로, 특정 상황에서 빠르게 활성화되어 초과산화물을 분자 산소와 H2O2로 촉매합니다. 이 과정은 고반응성 ROS를 상대적으로 저반응종으로 전환시킵니다.
- CAT (카탈라아제): CAT는 다양한 원천에서 발생하는 H2O2를 분자 산소와 물로 분해하여 H2O2를 중화시킵니다.
- GPx (글루타티온 퍼옥시다아제): GPx는 주로 글루타티온(GSH)을 환원제로 사용하여 H2O2를 물로 촉매하는 반응을 가속화함으로써 항산화 효과를 발휘합니다.
- ROS 제거 시스템 2 : 저분자량 ROS 제거제
- 저분자량 ROS 제거제는 항산화 효소를 활성화하거나 산화 사슬 반응을 종결시킬 수 있습니다.
- 비타민 D: NOX의 활동을 억제하고 항산화 효소의 활동을 증가시켜 ROS 제거를 가속화합니다.
- 비타민 E: 사슬 반응을 멈추는 퍼옥실 라디칼 제거제로서, 페놀성 수소를 퍼옥실 라디칼에 기증하여 비활성인 토코페록실 라디칼을 형성함으로써 산화 사슬 반응을 중단시킵니다.
- 아연: NOX-2의 항산화 효과를 억제합니다. 그러나 미토콘드리아에 아연이 축적되면 미토콘드리아ROS(mtROS) 수준이 증가하고 하류 신호 분자인 핵 전사 인자-카파 B(NF-κB)를 활성화할 수 있다는 연구도 있습니다.
- 위에서 언급된 비타민과 미네랄 외에도 요산, 빌리루빈, 멜라토닌을 포함한 많은 대사 산물도 항산화 능력을 나타냅니다.
- 항산화 네트워크의 역할
이번 편 마무리 글
정리하자면, 염증성 질환은 단순한 면역 반응이 아니라 우리 몸의 균형이 무너졌다는 신호이며, 그 중심에는 ROS가 자리하고 있습니다. ROS는 적정 수준에서는 세포 신호와 방어 기능에 꼭 필요하지만, 과잉으로 축적되면 세포 손상과 만성 염증으로 이어집니다.
우리 몸은 본래 항산화 효소와 저분자 항산화 물질을 통해 이를 조절하고 있지만, 다양한 원인으로 균형이 깨질 때 염증성 질환이 발생합니다. 이러한 배경에서 ROS 제거 생체 재료는 기존 항염증제의 한계를 보완하고, 보다 정밀하고 근본적인 치료 접근을 가능하게 하는 새로운 전략으로 주목받고 있습니다.
앞으로는 효소 모방형 나노소재, 직접 반응형 항산화 물질, 생성 차단형 생체 재료와 같은 다양한 연구들이 임상 현장으로 확장될 것입니다. 이는 단순한 염증 완화를 넘어, 만성질환·자가면역질환·노화 관련 질환의 치료 패러다임을 바꾸어 나갈 잠재력을 가지고 있습니다. 즉, ROS를 이해하고 조절하는 것은 단순한 연구 주제가 아니라, 향후 인류 건강을 위한 중요한 열쇠가 될 것입니다.
참고문헌 & 출처
- Li Q, et al. Reactive oxygen species (ROS) in inflammation and inflammatory diseases. Journal of Hematology & Oncology. 2023;16:112. 원문 보기
- Zhou Y, et al. Mitochondria-targeted nanomaterials for oxidative stress regulation. Nature Nanotechnology. 2024.
- MDPI Nanomaterials. Special Issue on ROS and Biomaterials. 2024.
- Advanced Materials. Nanozymes for ROS scavenging in inflammatory diseases. 2023.
작성자: 닥터리마인드 가정의학과 전문의 · MD.PhD · 기능의학 연구자 · 피부·영양·항노화 임상 10년+의학적 고지 · 본 글은 ※ 본 글은 일반적인 의학 정보 제공 목적이며, 개인의 상태에 따라 적정 용량과 안전성은 달라집니다. 특히 약물 병용 시에는 반드시 의료 전문가와 상의하세요.
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