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- 전 세계적으로 매년 약 3만 명이 이러한 유형의 연기 중독으로 사망
- 혈액 내 적색 헤모글로빈 분자, 일산화탄소와는 최대 400배 더 강하게 결합한다.
- 중독 환자의 혈액에 주입할 수 있는 단백질 개발.
- 이 단백질은 혈액 속에서, 헤모글로빈보다 훨씬 더 강한 친화력으로 일산화탄소와 결합
- 동물의 혈액에서 CO 분자 절반을 제거하는 데 1분도 안걸려

일산화탄소 중독에 대한 새로운 치료법
헤모글로빈 유사 단백질, 혈액에서 일산화탄소 흡수

유망한 해독제:
일산화탄소 중독은 치명적일 수 있으며, 지금까지는 고압 산소실에서만 치료할 수 있었다. 하지만 새롭게 개발된 단백질이 일산화탄소 중독을 더욱 쉽고, 빠르고, 효과적으로 치료하는 데 도움이 될 수 있다. 새롭게 개발된 단백질은 박테리아 모델을 기반으로 하며, 우리 몸의 혈액 헤모글로빈과 유사하고, 기존 접근법과 달리 부작용이 없다. 

▲ 이 그림은 우리가 호흡하는 공기에서 일산화탄소(CO)가 혈액 속 헤모글로빈으로 이동하는 과정을 보여준다. © University of Maryland School of Medicine

산소가 부족한 상태에서 연소가 발생하면 일산화탄소(CO)가 방출된다. 연기를 통해 눈에 보이지 않고 냄새가 나지 않는 이 기체를 흡입하는 사람은 심각한 일산화탄소 중독을 겪을 수 있다. 전 세계적으로 매년 약 3만 명이 이러한 유형의 연기 중독으로 사망하며, 특히 밀폐된 공간에서 발생하는 화재로 사망한다. 하지만 벽난로의 연결이 잘못되었거나 환기가 잘 되지 않는 방에서 자동차, 발전기, 물담배를 사용하는 경우에도 우리가 마시는 공기 중에 일산화탄소가 축적되어 생명을 위협할 수 있다.

일산화탄소 중독은 어떻게 치료하나?

위험한 점은 흡입 후 일산화탄소가 혈액 내 적색 헤모글로빈 분자와 높은 친화력으로 결합한다는 것이다. 이 분자들은 실제로 체내에서 산소와 이산화탄소(CO2)를 운반하는 역할을 하지만, 일산화탄소와는 최대 400배 더 강하게 결합한다. 이는 필수 산소의 흡수와 운반을 차단한다. 결과적으로 장기와 조직은 충분한 산소를 더 공급받지 못하고, 감염된 사람들은 서서히 내부적으로 질식하게 된다.

일산화탄소 중독을 치료하기 위해 환자의 몸은 현재 순수 산소로 가득 차 있다. 과도한 산소로 인해 산소 분자는 혈액 내 헤모글로빈 분자에서 독성 일산화탄소를 제거한다. 이러한 세척은 고압 산소실의 압력 증가로 인해 가속화되지만, 고압 산소실이 있는 시설로의 구급차 이송이 필요하다. 따라서 많은 사람에게 치료가 너무 늦고, 생존자조차도 일시적인 산소 부족으로 인해 영구적인 심장 및 뇌 손상을 입는 경우가 많다.

더 나은 치료법을 찾아

피츠버그 대학교의 매튜 덴트(Matthew Dent)가 이끄는 연구팀은 중독 환자의 혈액 내 헤모글로빈에서 일산화탄소를 더 빨리 제거하는 방법을 모색했다. 이를 위해 연구팀은 중독 환자의 혈액에 주입할 수 있는 단백질을 개발했다. 이 단백질은 혈액 속에서 스펀지처럼 일산화탄소를 흡수하여 헤모글로빈보다 훨씬 더 강한 친화력으로 일산화탄소와 결합할 수 있다.

연구진은 파라부르크홀데리아 제노보란스(Paraburkholderia xenovorans)라는 박테리아에서 생성되는 RcoM이라는 천연 헤모단백질을 사용했습니다. 이 미생물에서 헤모글로빈과 유사한 RcoM 단백질은 천연 일산화탄소 센서 역할을 합니다. 덴트와 그의 동료들은 실험실에서 이 단백질을 변형하고 길이를 줄여 산소나 다른 기체 분자는 동시에 흡수하지 않으면서도 일산화탄소에 더욱 선택적으로 결합하도록 만들었다. 연구팀은 이 단백질을 RcoM-HBD-CCC라고 명명하고 생쥐를 대상으로 효능을 시험했다.

▲ 천연 단백질인 RcoM은 디자이너 단백질의 주형 역할을 했다. © 메릴랜드 대학교 의과대학

1분 이내에 혈액 투석

결과:
이 단백질은 동물의 혈액에서 일산화탄소 분자의 절반을 제거하는 데 1분도 채 걸리지 않았다. 일반적인 산소 요법은 사람의 경우 74분, 압력 챔버를 사용하는 경우 30분이 걸린다. 이 단백질은 헤모글로빈에서 일산화탄소 분자를 흡수하여 혈액을 통해 신장으로 운반한다. 신장에서 일산화탄소 단백질 복합체는 소변으로 배출된다. 혈액 내로 방출된 헤모글로빈 분자는 다시 산소와 결합할 수 있으며, 이는 쥐 실험에서 확인되었다.

"이 단백질은 일산화탄소에 대한 신속한 정맥 해독제가 될 잠재력을 지니고 있다. 응급실이나 현장에서 응급 구조대가 투여할 수도 있다"고 볼티모어에 있는 메릴랜드 대학교의 수석 저자인 마크 글래드윈(Mark Gladwin)은 말했다.

혈압에 미치는 부작용 거의 없음

몇 년 전, 글래드윈 연구팀은 유사한 단백질인 Ngb-H64Q-CCC를 개발했다. 이 단백질의 단점은 일산화탄소(CO)뿐만 아니라 일산화질소(NO)와도 강하게 결합한다는 것이다. 이 가스는 혈압을 조절한다. 혈액 내 일산화질소(NO) 순환이 적으면 혈관이 수축하고 혈압이 상승한다. 이는 잠재적인 일산화탄소 항독제에 바람직하지 않은 부작용이 될 수 있다.

따라서 연구진의 우려 중 하나는 새롭게 설계된 헤모단백질 RcoM-HBD-CCC가 일산화질소와도 결합할 수 있다는 것이었다. 연구팀이 이 단백질을 주입한 동물에서 혈압 변동이 미미한 것으로 나타났다. 이는 RcoM-HBD-CCC가 일산화질소와 매우 적게 결합하거나 매우 느리게 결합하기 때문에 혈압에 심각한 영향을 미치지 않는다는 것을 시사한다.

"게임 체인저가 될 수 있다"

"이 분자는 부작용 위험이 매우 낮으면서 체내 일산화탄소를 직접적이고 빠르게 제거할 수 있기 때문에 게임 체인저가 될 수 있다"고 메릴랜드 대학교의 공동 저자인 제이슨 로즈(Jason Rose)는 말했다. "이러한 유망한 결과를 바탕으로, RcoM-HBD-CCC를 다른 분야, 예를 들어 중증 빈혈이나 출혈성 쇼크에 대한 혈액 대체제로 사용할 수 있는 잠재력도 있다고 생각한다." 이 경우, 이 단백질은 우리 몸의 천연 헤모글로빈 기능을 대체할 수도 있다.

연구진은 이미 이 기술에 대한 라이선스를 보유한 회사를 설립했으며, 향후 새롭게 개발된 단백질을 일산화탄소 해독제로 생산할 수 있을 것으로 보인다. 그러나 이 단백질이 일산화탄소 중독이나 다른 치료법의 해독제로 실제로 사용되기 위해서는 먼저 동물을 대상으로 추가 시험이 필요하다. 안전성이 확인되면 사람을 대상으로 한 임상시험이 이어질 것이다.
참고:
Proceedings of the National Academy of Sciences, 2025; doi: 10.1073/pnas.2501389122
출처: University of Maryland School of Medicine

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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