철은 생물체에 필수적인 원소로, 그 결핍은 전 세계적으로 가장 흔한 영양 장애로 꼽힙니다. 오늘날 인간과 동물 모두에게 더 효과적이고 안전한 철 보충 전략은 영양 결핍 치료에서 가장 중요한 과제 중 하나입니다. 이전 생체 내 연구에서 자사 제조 산화아연 기반 나노입자의 안전성과 생분해성, 체내 대다수 장기와 조직으로의 빠른 분포를 확인했습니다. 위장관 상피 세포 모델인 Caco-2 세포주 대상 in vitro 시험에서도 연구 나노물질의 낮은 독성을 확인했습니다. 본 연구에서는 생분해성 산화아연 나노입자에 Fe(III)를 도핑하여 철 결핍 보충 전략으로서의 가능성을 조사했습니다. 생분해성 ZnO:Fe 나노입자를 성체 생쥐에 경구 투여하고 24시간 후 희생하여 내부 장기를 수집해 분석했습니다. 원자 흡수 분광법(AAS)과 조직학적 염색(펄법)으로 측정한 철 농도에서 철 도핑 나노입자가 철 항상성과 관련된 조직에 빠르게 분포함을 확인했습니다. 간세포 내와 비장 혈관 주변에서의 철 축적도 관찰되어 혈류에서 조직으로 Fe 도핑 나노입자 전이 가능성을 시사합니다. 요약하면, 본 연구의 예비 결과는 생분해성 ZnO 나노입자 Fe 도핑이 생체 내 외인성 철의 좋은 운반체일 수 있음을 시사합니다. 따라서 조직 내 철 침착의 정확한 메커니즘과 나노입자 운반체가 철 대사에 미치는 영향에 대한 후속 연구가 필요합니다.
철은 인간을 포함한 지구상 생물체를 구성하는 가장 중요한 성분 중 하나입니다. 이 원소의 중요성은 체내 여러 구조와 과정에서 필수적인 역할과 관련됩니다. 예컨대 산소를 전신 조직과 세포로 운반(헤모글로빈, 미오글로빈 구성), 에너지 생성(미토콘드리아 호흡 사슬 단백질 구성) 등 수많은 과정에 관여합니다[1,2]. 따라서 철은 세포와 생물체 전체의 중요한 생명 과정에 관여하며, 결핍 시 생체 기능에 심각한 장애를 초래합니다.
전 세계 보고에 따르면 철 결핍은 인류의 심각한 공중 보건 문제입니다. WHO에 따르면 1993~2005년 전 세계 인구의 거의 30%가 빈혈에 시달렸습니다. 빈혈 유병률은 어린이와 임산부에서 훨씬 높습니다[3]. 임신 중 철 보충의 중요성은 철 결핍이 조산, 저체중아 출산, 신생아 건강 악화의 위험 인자이기 때문입니다[4]. 영유아와 미취학 아동의 경우 급속한 신체 성장과 철 저장소 고갈로 철 결핍 위험이 커 0~5세 아동에게도 철 보충이 권장됩니다[5]. 흥미롭게도 아동의 적절한 철 수치가 정서 및 신경심리 발달과 상관관계가 있다는 과학적 보고도 있습니다[6]. 또한 철 결핍은 다른 포유류, 특히 젖먹이 돼지에서 심각한 영양 장애인데, 자궁 내 제한적 철 공급과 모유의 낮은 철 함량이 겹치기 때문입니다[7,8]. 새끼 돼지는 며칠 만에 체중이 두 배로 늘며 적혈구 수와 총 혈액량이 급증하므로 철 저장소가 빠르게 고갈됩니다. 따라서 오늘날 인간과 동물 모두를 위한 더 효과적이고 안전한 철 보충 전략은 영양 결핍 예방과 치료의 가장 중요한 과제가 되었습니다.
생물체에 철을 추가로 전달하는 세 가지 주요 경로는 정맥, 근육, 경구 투여입니다. 각각 장단점이 있습니다. 경구 투여는 신체에 단순하고 자연스러우며 철 흡수와 수송의 생리적 경로를 이용합니다. 또한 헵시딘 기반의 체내 순환 철 양 조절 자연 시스템을 유지합니다[9]. 그러나 경구 보충은 흡수율이 낮고 최종 효율이 떨어지는 문제가 흔합니다. 표준 수용성 경구 철 보충이 동물 장내 미생물 조성과 대사 활성에 강한 영향을 미친다는 연구도 있습니다[10]. 반면 정맥 또는 근육 투여는 독성 부작용 위험이 있습니다[11]. 산업적 양돈에서 표준 철 보충법인 개별 근육 주사(철-덱스트란 단일 용량)는 동물에게 스트레스이고 사육자에게 번거롭습니다. 부적절한 주사는 동물에게 염증과 합병증을 유발하고, 무균 조건 미준수 시 질병 전파에도 기여합니다.
위에서 언급한 외인성 철 전달의 독성 부작용은 체내 자유롭고 결합되지 않은 철 원소와 관련됩니다. 철은 전이 금속으로서 원자가 변화로 펜톤 반응을 통해 유해한 자유 라디칼(반응성 산소종, ROS)을 생성할 수 있습니다[12]. 자유 라디칼 수치 증가가 세균 감염, 신생물, 간질환 등 다양한 상태에 기여한다는 보고도 있습니다[13]. 자유 철에 의한 ROS 생성을 막는 자연적 생리 전략은 철 흡수와 수송 경로의 각 단계에서 특정 단백질과 철을 결합하는 것입니다. 경구 철 과부하와 정맥/근육 투여 시 생리적 철 순환 경로가 일반적으로 압도되어 ROS가 급증합니다[14].
철 기반 나노입자(Fe-based NPs)는 생물의학적 목적으로 널리 연구되었습니다. 가장 광범위한 용도는 자기적 특성을 이용한 임상 진단용 조영제(종양 영상, 특정 조직 축적)입니다[15]. 최근에는 나노구조가 생체 내 생리활성 물질 전달의 새롭고 더 효과적인 형태로 연구되고 있습니다. 나노입자 운반체는 벌크 형태 물질에 비해 크기가 작아 생체 이용률을 크게 높일 수 있습니다[16,17]. 한 연구에서는 빈혈 쥐에서 철 함유 NPs와 황산제일철(빈혈 치료 표준 보충제)의 효과를 비교했습니다. 혈액 분석 결과, 빈혈 동물에 철 함유 NPs 단일 경구 투여 시 철 생체 이용률이 증가했습니다. 나노입자와 황산제일철 다회 투여 시 결과는 유사했습니다[18]. 또 다른 연구에서는 인간과 설치류 모델에서 Fe 기반 나노물질을 대체 철 전달제로 시험했습니다. 저자들은 나노 Fe의 우수한 안전성을 강조했는데, 수용성 철 형태와 달리 장 점막에 철 축적이 없고 유익한 미생물 군집을 촉진했습니다[19]. 마찬가지로 비타민 C로 캡핑한 Fe 기반 NPs로 빈혈 쥐를 치료한 연구에서도 표준 철 결핍 치료법에 비해 짧은 시간 내 빈혈 회복과 혈액 파라미터 개선을 보였습니다[20].
철 도핑 산화아연 나노입자(ZnO:Fe NPs)는 마이크로파 수열 합성법으로 제조했습니다. 이 방법은 잘 확립되어 있고 비교적 저렴하며 생체 친화적이고 산업적 규모 확장이 가능하며, 다양한 산화물[26-28]에 다양한 이온을 작용성 도판트로 도입할 수 있습니다[21-25]. 현재 나노입자의 철 농도는 5몰%로 설정했습니다. 합성은 질산염으로부터 시작했습니다: Zn(NO₃)₂·6H₂O(99%, Sigma-Aldrich)와 Fe(NO₃)₃·9H₂O(96%, Carl Roth). 여러 공급업체를 테스트하여 불용성 잔류물이 없는 가장 균일한 제품을 제공하는 업체를 선정했습니다. 화합물을 증류수에 용해: 질산아연(V) 17.63g, 질산철(III) 1.25g. 맑은 용액을 25% 수산화 암모니아 수용액(Carl Roth)으로 pH 8까지 알칼리화했습니다. 생성된 붉은 침전물을 뷔히너 깔때기로 약 1L 증류수로 세척하고 흡인 여과했습니다. 침전물을 100ml 테플론 용기에 넣고 물로 80% 채운 뒤 Ertec Magnum II 반응기 챔버에 밀봉했습니다. 4MPa에서 20분간 마이크로파 수열 공정을 진행했습니다. 반응 후 옅은 붉은 생성물을 수집하여 60°C에서 하룻밤 건조했습니다.
제품 특성 분석은 주사 전자 현미경(SEM), 광발광(PL) 및 음극 발광(CL) 분광법, 에너지 분산 원소 분석(EDX)으로 수행했습니다. SEM 측정은 고분해능(1nm) Hitachi SU-70 현미경, 특성 방사선 검출기와 음극 발광 시스템 GATAN Mono CL3을 이차 전자(SE) 및 투과(TE) 모드로 장착하여 수행했습니다. 광발광 방출 및 여기 스펙트럼은 제논 램프 여기원과 하마마츠 R928P 광전자증배관을 장착한 Horiba/Jobin-Yvon Fluorolog-3 분광형광도계로 기록했습니다. 동적 빛 산란(DLS)과 제타 전위는 DelsaMax Pro 입자 특성 분석 시스템으로 측정했습니다. 열중량 분석(TGA)은 아르곤 흐름 하에서 NETZSCH STA 449 F1 Jupiter 열중량계로 수행했습니다. SEM 측정은 아가 폴리카보네이트 코팅 400 구리 메쉬에 나노입자를 증착한 후 수행했습니다. 시료를 Sonics VCX500 초음파 처리기로 증류수에 분산시키고, 현탁액 한 방울을 메쉬에 떨어뜨려 건조했습니다. 시료는 2시간 침전 후 무거운 입자가 가라앉은 후 제조했습니다.
본 연구에서는 Caco-2 세포주(백인 결장 선암 세포)를 위장관 상피 세포 모델로 사용했습니다. 세포주는 ECACC(Sigma-Aldrich, Cat. No. 86010202)에서 입수했습니다. 세포를 0.5×10⁶ cells/ml 밀도로 6웰 또는 96웰 플레이트에 파종하고, 10% 태아 소 혈청(FBS), 1% 비필수 아미노산(NEAA), 1% 페니실린-스트렙토마이신-네오마이신(PSN), 0.2% 탄산수소나트륨을 보충한 DMEM 배지(Gibco)에서 37°C, 5% CO₂ 조건으로 배양했습니다. 95~100% 컨플루언시 도달 시 배지를 제거하고 신선한 배지에 ZnO:Fe NPs 현탁액을 첨가했습니다. 4가지 다른 농도(1.0, 0.1, 0.01, 0.001 mg ZnO:Fe NPs/ml)로 37°C, 5% CO₂에서 24시간 배양했습니다.
Caco-2 세포 생존율은 XTT 분석법과 트립신 블루 염색법 두 가지로 평가했습니다. XTT 분석에 필요한 모든 시약은 상용 키트(Cell Proliferation Kit II, Roche)에서 제공되었습니다. 96웰 플레이트에서 배양된 세포를 다양한 농도의 ZnO:Fe NPs로 24시간 배양한 후, 50μl XTT 표지 혼합물을 첨가해 37°C, 5% CO₂에서 4시간 배양했습니다. 이후 분광광도법으로 포르마잔 농도를 측정했습니다. 흡광도는 470/650nm에서 측정하여 생존 세포 수와 상관관계를 구했습니다. 이후 실험에서 가장 높은 흡광도 결과를 100% 세포 생존율로 간주했습니다. 최종 결과는 4회 독립 실험 반복(n=4)을 기반으로 계산했습니다.
트립신 블루 염색을 위해 6웰 플레이트에서 배양된 세포를 다양한 농도의 ZnO:Fe NPs로 배양한 후 수집했습니다(0.05% 트립신, 0.2% EDTA, 10분). 원심 분리 후 펠릿을 1ml 배지에 재현탁했습니다. 멸균 0.4% 트립신 블루 용액 100μl와 세포 현탁액 100μl를 혼합했습니다. 10μl 시료를 카운팅 슬라이드에 올리고 JuLi Br 카운팅 소프트웨어(NanoEnTek)로 생존 세포 수를 분석했습니다. 최종 결과는 3회 독립 실험 반복(n=3) 기준입니다.
이 예비 연구를 위해 성체 수컷 Balb-c 생쥐(n=6)를 표준 및 통제된 조건(12/12시간 명암 주기, 25°C, 습도 30%)에서 표준 사료와 물(자유 섭취)로 개별 사육했습니다. 모든 절차는 지역 윤리위원회 승인(WAW2/59/2017)을 받았습니다. 7일 적응 기간 후, ZnO:Fe NPs 현탁액(10mg/ml, 0.3ml/마우스)을 실험군(n=4)에 경구 강제 투여(IG)했습니다. 대조군(n=2)에는 0.3ml 음용수를 IG 투여했습니다. 실험 중 동물의 행동 변화나 조직 이상은 관찰되지 않았습니다. 24시간 후 실험군과 대조군 생쥐를 CO₂-O₂ 챔버(CO2 Box, Bioscape, Merazet)에서 희생하고 조직을 수집했습니다. 신선한 시료의 절반은 -20°C에서 동결하여 원자 흡수 분광법(AAS)용으로 보관했습니다. 나머지 절반은 4% 완충 포르말린에 고정하고 24시간 후 70% 에탄올로 옮겼습니다. 이후 에탄올 농도를 높여가며 탈수하고, 파라핀에 포매(Leica TP1020, Leica EG1150)한 뒤 마이크로톰(Leica RM2255)으로 6μm(조직병리 검사용 4μm) 두께 현미경 슬라이드를 제작했습니다.
비장, 간, 뇌 현미경 슬라이드를 펄법(프러시안 블루)으로 염색하여 철 존재 여부를 확인했습니다. 시료를 탈파라핀화하고 증류수까지 재수화한 뒤, 5% 페리시안화칼륨(Sigma-Aldrich)과 5% 염산(Sigma-Aldrich)을 동량 혼합한 작업 용액에 넣고 30분간 염색했습니다. 이후 물로 헹구고 핵 고속 적색(Sigma-Aldrich)으로 5분간 대조 염색했습니다. 물로 헹군 뒤 퍼마운트(Fisher Scientific)로 커버슬립 아래 마운트했습니다. 염색된 시료 이미지는 올림푸스 BX60 현미경과 Cell^P 이미지 획득 소프트웨어로 촬영했습니다. 각 시료에서 무작위로 선정한 16개 이미지를 MicroImage v.4.0(올림푸스)으로 자사 영상 분석 프로토콜[29]에 따라 추가 분석했습니다. 비장 분석 시 조직 내 적색 수질만 분석 대상으로 삼았습니다. 철 함량은 이미지 내 철 양성 염색(청색) 면적과 강도의 비를 세포핵 면적으로 계산했습니다.
이전에 수집하여 -20°C에 보관했다가 해동한 조직 시료를 AAS법으로 정량 분석하기 위해 준비했습니다. 상세 프로토콜은 이전 논문[24]에 기술되어 있습니다. 간단히, 조직 무게를 달고 65% 질산 5ml와 30% 과산화수소 1ml(Merck) 함유 용액에 16시간 이상 담갔습니다. 이후 마이크로파 시스템 Ethos 900(Milestone, USA)으로 시료를 광물화하여 액체 용액으로 만들고 AAS(Perkin-Elmer)로 철 함량을 평가했습니다.
연구 데이터는 평균 ± 표준 오차(SEM)로 제시했습니다. 펄 염색으로 얻은 철 축적 통계 평가는 일원 분산 분석(ANOVA)과 Tukey-Kramer 사후 다중 비교 검정을 모든 그룹에 수행했습니다. AAS 분석에서 대조군과 실험군 간 유의한 차이는 비대응 t-검정으로 평가했습니다. In vitro 실험에서 대조군과 실험군 간 유의한 차이는 던넷 다중 비교 검정을 곁들인 일원 ANOVA로 평가했습니다. 통계 분석은 GraphPad InStat 3.10으로 수행했습니다. 모든 검정에서 P≤0.05를 유의, P≤0.01을 고도 유의, P≤0.001을 극히 유의한 차이로 간주했습니다.
마이크로파 수열 공정에서 결정화된 ZnO:Fe 나노결정의 SEM 이미지를 그림 1에 나타냈습니다. 합성 후 건조 분말을 초음파 욕으로 물에 분산시킨 후 구리 400 메쉬에 증착했습니다. 초음파 처리 후 현탁액을 2시간 방치해 큰 입자의 응집과 침전을 유도했습니다. 시료에서 일반적으로 [001] 방향인 c-면 성장 방향으로 신장된 육각 기둥 형태의 ZnO 결정이 관찰됩니다. 기둥의 교차 부분이 명확히 보이며 육각형 크기는 50~100nm입니다. 기본적으로 나노입자는 응집되어 더 큰 구조를 형성합니다. 그림 1b에는 심하게 응집되고 그룹화된 ZnO:Fe 결정 구조가 보입니다. 시료는 수백 나노미터에서 마이크로미터 크기의 불균일한 입자로도 구성됩니다. ZnO 외 다른 상(예: 산화철)의 결정화 징후는 명확하지 않아 철 기반 상 부재를 시사합니다[30].
실온에서 800°C까지 아르곤 흐름 하에서 열중량 분석(TGA)과 시차 주사 열량법(DSC)을 수행한 결과를 그림 2에 나타냈습니다. 첫 번째 질량 손실은 200°C까지 발생하여 초기 질량 대비 4.78% 감소했습니다. 두 번째 손실은 200~400°C 사이에서 약 7.36% 발생했습니다. 800°C까지 추가 질량 감소는 없었습니다. 첫 번째는 표면 흡착 수분자 증발, 두 번째는 수산기 환원 때문으로 보입니다. DSC 곡선은 118.3°C에서 흡열 피크(-0.6175mW/mg, 수분 증발)와 283.1°C에서 발열 피크(0.4356mW/mg, 수산기 분해)를 보입니다. 분해 관련 작은 효과는 마이크로파 수열 공정에서 ZnO:Fe 나노입자의 거의 완전한 결정화를 나타냅니다.
그림 3은 ZnO:Fe NPs의 실온 광발광 스펙트럼입니다. 방출 스펙트럼(그림 3a)은 낮은 강도의 좁은 근밴드 가장자리(NBE) 발광과 매우 강한 넓은 깊은 준위 방출(DLE) 발광 두 가지 특징으로 구성됩니다. 첫 번째는 ~380nm, 두 번째는 600nm에서 피크를 이룹니다. 스펙트럼에서 DLE 강도 우세는 얻어진 나노결정이 결정학적으로 강하게 결함이 있음을 시사합니다[31-33]. 여기 스펙트럼(그림 3b)은 ZnO:Fe 밴드갭 내 깊은 준위에서의 방출 메커니즘을 나타냅니다.
ZnO:Fe NPs의 음극 발광 스펙트럼을 그림 4에 나타냈습니다. DLE/NBE 강도비는 ≈25입니다. NBE 밴드는 약 380nm, DLE 밴드는 ~570, 625, 653nm와 매우 약한 770nm에서 피크를 이루는 네 성분으로 구성됩니다. McCluskey와 Jokela[34]에 따르면 570nm 밴드는 산소 공공과 관련되고, 나머지는 뷔르츠라이트형 격자의 아연 공공에 기인합니다[35].
시료 내 철 함량은 원자 흡수 분광법(AAS)과 에너지 분산 X선 분광법(EDX) 두 기법으로 측정했습니다. AAS의 경우 설치류 실험에 사용한 것과 유사하게 제조한 현탁액을 분석하여 ZnO:Fe에서 3.98 원자% Fe을 확인했습니다. EDX법으로는 구리 메쉬에 건조 분말을 분석하여 아연 이온 대비 4.5at% 철 농도를 확인했습니다.
현탁액 특성은 DLS와 TEM법으로 측정했으며, 나노입자 직경 분포를 그림 5에 나타냈습니다. 분포는 이봉형입니다: 한 집단은 가장 빈번한 직경이 20~100nm(TEM), 50~200nm(DLS) 사이로 피크를 이룹니다. 두 번째 집단은 더 큰 물체 100~500nm(TEM), 약 150~500nm(DLS)를 포함하며 수량은 적습니다. 나노입자의 이봉형 특성은 두 방법 모두에서 명확히 관찰됩니다. 100nm 이상 직경 통계에서 높은 분산은 ZnO:Fe 나노입자가 응집되는 다양한 방식을 나타냅니다. 물 현탁액 내 나노입자는 제타 전위가 0V 이하로 음전하를 띠었습니다. 약 -40mV 값은 최종 물 현탁액이 안정적이며 나노입자가 응집 친화성이 없음을 나타냅니다.
두 세포 생존율 분석(XTT, 트립신 블루) 모두 ZnO:Fe NPs와 배양된 Caco-2 세포의 흡광도 감소를 보여 생존 세포 수와 직접적 상관관계를 보였습니다. 통계적으로 유의한 변화는 가장 높은 NP 농도(1.0, 0.1mg/ml)에 24시간 노출된 경우에만 관찰되었으며, 생리적 수준의 NP 농도(0.01, 0.001mg/ml)에서는 세포 배양에 유의한 영향이 없었습니다(그림 6, 7).
ZnO:Fe NPs로부터의 생체 내 철 접근성을 평가하기 위해 생쥐(n=4)에 ZnO:Fe NPs 현탁액을 경구 투여하고 24시간 후 희생하여 주요 조직을 수집했습니다. 수집된 모든 장기의 정량적 철 함량은 AAS법으로, 간, 비장, 뇌 조직은 펄 염색 기반 Micro Image 소프트웨어로 분석했습니다. 그림 8에 제시된 데이터는 ZnO:Fe NPs 경구 투여 24시간 후 심장, 골격근, 비장, 소장 조직에서 철 함량 증가(대조군 대비, 통계적 유의성 없음)를 보입니다. 뼈의 경우 실험군 평균 철 수치가 대조군보다 약간 높았습니다. 간과 뇌 조직 철 함량은 대조군 대비 24시간 후 유의하게 증가했습니다(P≤0.01, 그림 8). 신장, 내장 및 피하 지방 조직, 폐에서는 ZnO:Fe NPs 투여 24시간 후 Fe 수치가 감소했습니다.
펄 염색으로 간 내 철 함량을 평가한 결과, 모든 실험군에서 대조군 대비 극히 유의하게(P≤0.001) 철 수치 증가를 보였습니다(그림 9b). 마찬가지로 비장 적색 수질 조직 결과에서도 모든 실험군이 대조군 대비 극히 유의하게(P≤0.001) 철 함량 증가를 보였습니다(그림 10b). 뇌 조직 분석 데이터에서는 ZnO:Fe NPs IG 투여 24시간 후 실험군에서 Fe 증가 없음을 보였습니다(그림 11b).
각 실험군 및 대조군 동물별 철 함량 결과는 그림 9a, 10a, 11a에 모았습니다. 간 조직에서 가장 높고 유의하게 다른(P≤0.05, P≤0.01) 철 수치는 생쥐-2(24h 2)에서 대조군 대비 검출되었습니다(그림 9a). 비장 적색 수질 내 철 염색 수치는 실험군 내에서 유사했으나, 대부분 대조군 생쥐-1(CTRL 1)보다 통계적으로 유의하게 높았습니다(P≤0.05 또는 P≤0.01, 그림 10a). 뇌 조직 결과는 실험군과 대조군 각 동물 간 유사했습니다(그림 11a).
펄법으로 염색한 간과 비장 조직 절편을 정성적으로도 평가했습니다. 실험군 간 절편 간세포 내에서 철 침착(연한 청색 염색) 증가가 관찰되었습니다(그림 12).
대조군과 실험군 모두에서 비장 백색 수질보다 적색 수질에 철(청색 염색)이 전반적으로 더 많이 축적되었습니다(그림 13). ZnO:Fe NPs 투여 후 실험군에서 적색 수질 내 철 수치가 대조군 대비 특히 높았습니다(그림 13c, d). 실험군에서는 혈관 주변에서도 철 농도 증가가 눈에 띄었습니다(그림 13b, d).
서론에서 언급했듯 철 결핍은 인간뿐만 아니라 다른 포유류에서도 상당한 영양 장애입니다[3,7,8]. 따라서 새롭고 더 효율적이고 안전한 철 보충 전략 구현이 매우 바람직합니다. 현재 제시된 결과는 생분해성 ZnO NPs에 Fe를 도핑하여 철 보충의 새로운 전략으로 활용하기 위한 추가적인 상세 조사를 목표로 한 예비 연구에서 나왔습니다. 앞서 확인했듯 자사 제조 아연 기반 NPs는 경구 투여 후 매우 효율적으로 흡수되어 생체 주요 장기와 조직에 빠르게 분포합니다[22-24]. 또한 이러한 나노구조체가 체내에서 생물학적 안전성과 생분해성을 보이며 빠르게 청소됨을 보고했습니다[36]. 본 연구에 사용된 경구 NP 투여 방식은 퍼소션 과정[37,38]에 기반한 외인성 나노구조체의 신체로의 빠르고 효율적인 전달 방식입니다. 또한 이 전략은 위장관으로부터의 Zn과 Fe 흡수와 관련된 생리적 '안전 메커니즘' 존재로 인해 철 도핑 물질 투여와 관련된 잠재적 독성 효과 가능성을 낮춥니다. 이 중요한 생리적 철 분포 경로는 정맥/근육 투여 시 회피될 수 있으며[14], 철 관련 독성 부작용 발생 가능성을 높일 수 있습니다. 나노입자 내부화 경로, 역학, 관련 세포 시스템에 대한 연구는 현재 다른 출판물 틀에서 진행 중입니다. 본 논문에서는 나노입자의 생체 전체 효과, 특히 철에 대한 효과에 초점을 맞췄습니다.
나노구조체 독성은 화학적 조성뿐만 아니라 크기, 형태, 응집 능력 등 다양한 물질 특성과 관련될 수 있습니다[39]. 그러나 더 작은 NPs가 더 잘 흡수되고 높은 표면적-부피 비율로 일부 금속 입자가 예외적으로 반응성이 높고 세포독성을 가질 수 있음이 확인되었습니다[40,41]. 나노구조체는 세포에 진입하여 구성 성분에 영향을 미쳐 세포 생존율을 변화시킬 수 있습니다[42,43]. ZnO 또는 FeO NPs 세포독성에 대한 이전 연구 중 하나에서는 고용량 NPs에서도 독성 효과(시험 세포 성장 및 분열 능력 기준)를 관찰하지 못했습니다[44]. 여기 제시된 Caco-2 세포주(위장관 상피 세포 모델) 연구에서 사용된 나노물질의 낮은 독성이 밝혀졌습니다. ZnO:Fe NPs의 소량/생리적 용량(0.001mg/ml, 0.01mg/ml)은 세포 생존율을 변화시키지 않았습니다(그림 6, 7). 고용량 ZnO:Fe NPs로 Caco-2 세포 배양 후 통계적으로 유의한 생존율 감소가 관찰되었습니다. 그러나 IC50(반수 억제 농도)은 놀랍게도 약 1mg/ml로 높게 유지되었습니다(그림 6, 7). 관찰된 세포 생존율 저하는 나노입자 자체의 세포독성 효과보다는 나노입자의 물리적 표면 퇴적과 세포 과스트레스와 관련되었을 가능성이 큽니다. 다른 연구에서는 ZnO와 ZnO:Fe₃O₄ NPs 배양 후 암세포주 세포 IC50 감소를 보고했으나, 비암세포에서는 비교적 낮은 세포독성 효과(비용량 의존적)를 보였습니다[45]. ZnO와 백금 NPs에서도 유사한 관찰이 보고되었습니다[46,47]. 그럼에도 불구하고 항산화 활성 프로파일링, ROS 생성, 다른 세포 및 세포주 사용 등 만성 독성 프로파일에 대한 추가 검사가 필요합니다.
생체 내 실험에서 얻은 결과는 ZnO:Fe NPs가 철 항상성과 주로 관련된 조직으로 빠르게 분포함을 나타냈습니다(그림 8, 9, 10). '나노' 형태 철의 생체 이용률에 관한 유사 연구는 주로 빈혈 동물이나 철 고갈 기간 후 수행되었습니다[18,19,48]. 반면 본 예비 연구는 건강한 정상 유지 생쥐에서 수행되었습니다. 사용된 NPs(크기, 형태, 화합물)나 동물 투여 경로, 용량, 빈도 차이로 인해 본 연구 데이터와 유사 연구 비교는 오해 소지가 있습니다. 간 철 수치 결과는 ZnO:Fe NPs 투여 24시간 후 대조군 대비 유의하게 증가했습니다(그림 8, 9). 철 축적은 간 조직 간세포에서 관찰되었습니다(그림 12), 이곳은 원소의 주요 저장 부위입니다[49]. 마찬가지로 복강 내 주사한 산화철 자기 NPs를 랫트에 투여한 이전 연구에서도 6시간 후 간에 55% 축적되었습니다[50]. 마찬가지로 본 연구에서 비장 철 수치는 실험군이 대조군보다 명확히 높았습니다(그림 8, 10). 흥미롭게도 비장 내 혈관 주변 철 축적 경향이 감지되어 ZnO:Fe NPs가 전신 혈류에서 조직으로 전이됨을 시사합니다(그림 13b, d). NPs 투여 후 간과 비장에 1차적으로 축적되는 것은 이들 조직의 단핵 식세포에 의한 청소 때문일 수도 있습니다[50-52].
뇌 조직의 경우 총 철 수치 측정(AAS법)에서 ZnO:Fe NPs 사전 투여 동물에서 유의하게 높은 원소 수치를 보였습니다(그림 8), 이는 펄 염색 분석에서는 확인되지 않았습니다(그림 11). 연구에 사용된 두 방법 간 불일치는 펄 염색의 민감도와 관련될 수 있습니다. 이 조직학적 철 가시화 방법은 철 응집체 검출 전용입니다. 생리적 침착 없이 조직 내 분포된 '나노' 형태 철은 극도로 작은 철 침착을 염색하기에 충분히 민감하지 않을 수 있습니다. 자사 제조 나노구조체로 혈액-뇌 장벽 극복 가능성은 이미 기술되었습니다[23,24,53]. 다른 연구에서는 초상자성 마그헤마이트 산화철 NPs를 쥐에 복강 내 투여했을 때 실험군에서 뇌나 심장 조직 내 철 축적이 검출되지 않아 본 연구 결과와 상충합니다[52]. 철 산화 자기 NPs의 생체 내 분포 패턴에 초점을 맞춘 또 다른 연구에서는 본 연구와 유사한 나노구조체 순환 메커니즘(뇌와 심장에서 Fe 증가)을 나타냈습니다[51]. 심장 조직 철 수치 증가는 ZnO:Fe NPs가 전신 혈류에 존재하여 조직 내 수치가 높아진 때문일 수 있습니다. 마찬가지로 AAS 분석에서 검출된 골격근 내 높은 철 수치는 이 근육의 집중적인 혈액 순환과 관련되고, 소장 철 함량 개선은 경구 투여된 NPs 잔류물 때문일 것입니다.
결론적으로, 철 결핍에 대한 새로운 보충 전략으로서 생분해성 ZnO:Fe NPs 분포에 대한 예비 연구를 수행했습니다. 나노구조체 경구 투여 후 생쥐 체내 철 침착이 원소 주요 저장 부위인 중요한 조직에서 검출되었습니다. 본 연구 결과가 생분해성 ZnO:Fe NPs가 생체 내 외인성 철의 좋은 운반체일 수 있음을 시사한다고 판단합니다. 그러나 침착, 제거, ZnO:Fe NPs가 신체에 미치는 영향의 정확한 메커니즘을 완전히 이해하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다.
다음 연구의 결론은 본 원고에 제시된 데이터를 기반으로 합니다.
나노물질
초록 나노기술은 모든 과학 분야에 중요한 응용을 가진 가장 유망한 연구 분야가 되었습니다. 최근 몇 년간 주석 산화물은 나노미터 범위에서 이 물질의 합성으로 향상된 매혹적인 특성들로 인해 엄청난 주목을 받아왔습니다. 오늘날 주석 산화물 나노입자를 생산하기 위해 수많은 물리적, 화학적 방법이 사용되고 있습니다. 그러나 이러한 방법들은 비용이 많이 들고, 높은 에너지를 필요로 하며, 합성 과정에서 다양한 독성 화학물질을 사용합니다. 인간 건강과 환경 영향에 대한 우려가 증가함에 따라 비용 효율적이고 환경 친화적인 생산 공정의 개발이 이
초록 최근 암 치료제용 나노캐리어 시스템, 특히 그래핀 산화물(GO) 기반 약물 전달 시스템이 암 환자에게 큰 혜택이 되고 있다. 본 연구에서는 타우린(Tau)으로 GO 표면을 기능화해 생체적합성을 개선했다. 먼저 변형 휴머스 법과 초음파 박리법으로 나노 크기 GO를 합성했다. 화학적 방법으로 타우린 변형 그래핀 산화물 캐리어(Tau-GO)를 합성해 물에서 좋은 분산성과 안정성을 가진 Tau-GO를 얻었으며, 제타 전위 -38.8 mV, 입자 크기 242 nm였다. 캡슐화 효율 평가 기준에 따라 Tau-GO와 5-FU의 최적 제형을
