Alzheimer’s disease (AD) is a severe neural disease that progressively damages neurons. One of the major strategies for AD treatment is to inhibit the aggregation of $\beta-amyloid$ ($A\beta$) peptides. Here we report that graphitic carbon nitride ($g-C_3N_4$) has a suppressive ability toward $A\beta$ aggregation under light illumination. Under commercial white light emitting diode (LED) light, photo-induced electrons of $g-C_3N_4$ with a 2.6 eV bandgap generated reactive oxygen species (ROS), such as superoxide anion and singlet oxygen; then, ROS blocked further $A\beta$ fibrillation as a way of photo-oxidation, impacting the conformational structure of $A\beta$ peptides. Through metal doping into a $g-C_3N_4$ framework, we further demonstrated that Fe-doped $g-C_3N_4$ showed enhanced optical properties and stronger inhibition on $A\beta$ aggregation than bare $g-C_3N_4$. Both $g-C_3N_4$ and Fe-doped $g-C_3N_4$ had negligible cytotoxicity and exhibited significant reduction in $A\beta-induced$ cell death.
세계적으로 인구 고령화가 급속히 진행되면서 알츠하이머병과 같은 퇴행성 뇌질환 환자가 증가하고 있다. 현재 65세 이상의 인구 중 알츠하이머 병을 앓고 있는 환자의 비율은 전체 인구의 11%에 달하며, 수치는 해마다 늘어날 것으로 예상돼 치료법 개발이 시급하다. 알츠하이머병은 치매의 가장 흔한 형태로, 아밀로이드 단백질 전구체가 베타 혹은 감마 세크리테이즈의 비정상적인 활동으로 인해 잘리면서 아밀로이드 베타를 생성, 점차 플라크로 침전되면서 뉴런을 파괴하는 기전이 발병원인으로 가장 유력하다. 아밀로이드 베타가 집적되는 과정은 모노머-올리고머-프로토피브릴-피브릴 단계로 나눌 수 있는데, 올리고머와 프로토피브릴이 큰 독성을 가지는 것으로 연구되었다. 이에 따라, 아밀로이드 베타의 올리고머로의 진행을 막는 연구들이 활발하게 행해지고 있다. 본 학위논문에서는 탄소 기반의 carbon nitride ($g-C_3N_4$) 나노 소재를 합성하여 이를 아밀로이드 베타의 응집 억제제로 적용하였다. $g-C_3N_4$는 2.6 ~ 2.7 eV의 밴드갭 에너지를 가지고 있어 가시광선 영역의 빛을 흡수할 수 있으며 탄소와 질소로 이루어져 있어 풍부하고 값이 싸며 환경 친화적이다. 억제 기작에는 $g-C_3N_4$의 광반응성이 주요하게 작용하는데, $g-C_3N_4$가 빛을 받으면 전자를 여기함과 동시에 밴드 포텐셜상 양(+) 쪽에 위치한 산소 분자로 전자를 이동시키고, 이에 환원된 산소가 여러 활성 산소들을 발생시키며 아밀로이드 베타의 광산화를 유도한다. 산화력이 높은 활성산소는 아밀로이드 베타 모노머의 구조를 변형시켜 올리고머 및 피브릴로의 베타 구조 형성을 효과적으로 저해하였다. 이를 원자현미경, 전기영동, 편광 단백질 구조 분석 등의 방법을 통해 관찰하였고, $g-C_3N_4$의 농도와 광반응성, 전이금속간의 반응성을 통해 억제 효과 정도를 분석하였다. 또한 세포 실험을 통해 $g-C_3N_4$의 자체 독성 및 $g-C_3N_4$처리 아밀로이드 베타의 독성이 크지 않음을 확인하여 아밀로이드 베타 응집 저해를 기반으로 한 차세대 알츠하이머 치료제로써의 가능성을 입증하였다.
