The abnormal self-assembly of $\beta-amyloid$ ($A\beta$) peptides into $\beta$-sheet-rich amyloid aggregates and subsequent accumulation in the brain are pathological hallmark of Alzheimer’s disease (AD). Various kinds of photo-active inhibitor have been introduced to suppress the $A\beta$ aggregation using light sources; however, their application has been limited due to their incomplete metabolism in human body and poor permeability to blood brain barrier. Recently, there has been a report that the development of micrometer-scale implantable LED module has been successful, which motivated us to develop photoelectrode-based therapy of AD. Herein, we report on visible light-active hematite ($\alpha-Fe_2O_3$)-based photoanode as an inhibitor for suppression of $A\beta$ aggregation. The synthesized hematite photoanode has a suitable band gap (2.1eV) to absorb visible light and showed effective photoelectrocatalytic activity generating reactive oxidative species(ROS) including superoxide ion(O2·-) and hydroxyl radical(OH·). We demonstrated that when applying a bias and LED to the hematite photoanode, it exhibited effective inhibitory effect on $A\beta$ aggregation owing to hole-derived radical, OH·. Modification of hematite photoanode using co-catalyst, Co-Pi, accelerated the production of OH· and inhibitory effect on $A\beta$ aggregation. Moreover, the hematite photoanode is not only biocompatible, but also effective in suppressing $A\beta-induced$ cytotoxicity. This work gives hints to the potential of utilizing the visible light-active hematite photoanode as an inhibitor of $A\beta$ aggregation for treatment of AD in the future.
알츠하이머병(Alzheimer’s disease)은 인지기능 저하 및 행동 장애를 유발하는 퇴행성 뇌 질환으로서, 뇌 속에 베타 아밀로이드($\beta-amyloid$)가 과다 생성 및 축적되는 것이 주요한 원인인 것으로 알려져 있다. 베타 아밀로이드는 모노머(monomer) 상태에서 피브릴(fibril) 상태로 응집하면서 신경 독성을 나타내기 때문에, 이러한 비정상적인 응집현상을 억제하여 병을 치료하려는 연구들이 진행되고 있다. 최근에는 광역학치료(Photodynamic therapy)의 일환으로 광감응 물질을 사용하여 베타 아밀로이드의 응집현상을 억제하는 연구결과들이 발표 되었다. 광역학치료는 빛에 의해 활성화된 광감응제의 전자전달 혹은 에너지 전달 반응으로 인하여 유발되는 활성산소(reactive oxidative radical)을 이용하여 단백질을 변성시키는 방법이다. 다양한 광감응 유기 분자, 나노 무기 입자들을 이용하여 베타 아밀로이드의 응집현상을 억제하는 연구 결과들이 발표 되었지만, 불완전한 생체 내 대사작용 및 뇌 혈관 장벽에의 낮은 투과성 때문에 실제 치료제로 사용하기에 한계가 존재 하였다. 최근 뇌 속에 삽입 가능한 LED 모듈 개발이 성공적으로 이루어졌다는 연구 결과가 발표됨에 따라 뇌 속에 직접 광감응 소재를 삽입하여 베타 아밀로이드의 응집을 저해하는 광전극 기반 저해제 개발에 대한 가능성이 확대 되었다. 따라서 본 연구에서는 대표적인 광전극 소재인 산화철($\alpha-Fe_2O_3$)를 이용하여 베타 아밀로이드의 응집현상을 억제하는 현상을 확인하였다. 산화철은 2.1eV의 밴드갭을 가지기 때문에 가시광선 영역의 빛을 흡수할 수 있으며, 활성산소를 생성하기에 적합한 에너지 준위를 가지고 있어 광화학적으로 베타 아밀로이드를 제어하기에 적합한 물질이다. 산화철 전극에 양의 전압과 가시광선을 가해주게 되면 하이드록실 라이칼(hydroxyl radical)과 초과산화 이온 (Superoxide ions) 등 두 종류의 활성산소가 생성되는데, 이 중 하이드록실 라디칼이 아밀로이드의 응집현상을 방해하는 효과를 보였다. 또한 산화철 표면에 코발트 인산염 촉매를 증착 한 결과, 베타 아밀로이드의 응집현상을 억제현상을 보다 촉진할 수 있었다. 산화철 전극에 의해 변성된 베타 아밀로이드 응집체의 신경세포에 대한 독성을 확인하였는데 아무 처리 하지 않은 베타 아밀로이드 응집체에 비하여 세포 독성이 줄어듦을 확인할 수 있었다. 본 연구는 산화철 광전극을 이용하여 베타 아밀로이드 단백질의 응집 및 독성 억제 현상을 증명하였으며, 알츠하이머 병의 치료를 위한 베타 아밀로이드의 응집 억제제로서 가시광선 활성의 광전극을 이용할 수 있다는 가능성을 제시하였다.
