의료용 효소의종류와 기능에대해 살펴보자.

[양서화]

의료용 효소

A. 치료용 효소

인체의 질병을 치료하기 위해서 사용되는 효소를 의료용 효소로 정의할 수 있는데 의료용효소는 크게 진단용효소와 치료용 효소로 대별할 수 있고 치료용으로 사용되는 대표적인 효소의 종류는 표 3-5와 같다. 종래 치료용 효소로는 소화효소제가 대부분을 차지하였지만 항소염효소를 비롯한 혈전분해 효소, 항종양 효소, 순환계용 효소 등이 개발되어 질병의 치료에 이용됨으로 비약적인 발전을 하게 되었다.

이와 같이 효소에는 각종 질병의 치료에 유용한 것이 많지만 아직 개발되지 않은 것도 상당히 많다. 그러나 최근에는 효소 생산이 어렵고, 아직 임상에 응용되지 못했던 극히 미량 존재의 효소나 인체형 효소를 유전공학적 방법을 이용하여 쉽게 생산할 수 있게 되었기 때문에 장래에는 여러가지 유용한 효소가 개발되어 치료용 약품으로서의 이용이 가능할 것이다.

소화효소는 소화기의 질환, 소화기 수술 후의 이상 증상의 개선을 목적을 투여하는 소화효소는 각종 기원의 amylase, cellulase, protease, lipase 등으로 구성되어 있으며 각 효소의 최적 pH 안정성, 기질 특이성, 온도 안정성 등은 각 효소의 기원에 따라 각각 다르다. 일반적으로 소화효소는 그 기원에 따라 동물성(pepsin, pancreatin 등), 식물성(diastase, 파파인 등), 미생물성(takadiastase, lipase 등)으로 분류된다. 디아스카이제나 판크레이틴 등 단독으로 이용되는 경우와 수종의 소화효소가 배합되어 이용되기도 한다.

혈전분해효소는 생체내의 혈관계가 손상을 받게 되면 혈액은 응고현상을 일으켜 지혈되며, 여기 생성된 혈전은 자연히 분해된다. 이와 같이 혈액중의 응고-분해계는 효소의 작용에 의해 균형을 이루고 있는데 이 균형이 깨어져 혈전의 분해 기능이 저하되면 이로 인해 여러가지 증상이 유발된다. 최근 식생활의 변화와 함께 혈관장애에 의한 사망자 수가 급증하고 있기 때문에 혈관장애의 주된 요인인 혈전의 치료는 대단히 중요한 과제이다.

혈전분해효소는 작용 기전에 따라 크게 두가지로 나눌 수 있는데, 첫째 혈전에 직접 작용하여 fibrin을 용해시키는 단백분해 효소제와 둘째, 인체의 혈액 분해계를 활성화시키는 효소제로 나눌 수 있다. 단백분해효소제로는 brinase, papain, ochrase, trypsin, plasmin 등이 있으나 이러한 단백분해효소제들은 정맥 주사로 주입시 무작위적인 단백분해효과로 혈전 외에 혈전생성인자들까지 파괴하여 출혈을 일으킬 수 있어 매우 독성이 강해 거의 쓰이지 않고 있으며, 대신 인체의 혈전 분해를 촉진시키는 효소제인 streptokinase, urokinase 등이 일반적으로 사용되고 있다.

치료용 효소의 종류

분 류	기 원	종 류
소화효소	동물성 식물성 세균성	Pepsin, Pancreatin, Chymotrypsin 등 Diastase, Papain 등 Takadiastase, Lipase, Cellulase 등
소염효소	동물성 세균성	Trypsin Serratiopeptidase, Pronase, SK/SD, Lysozyme 등
혈전분해효소	-	Streptokinase, Urokinase, Prourokinase, tP-A, Eminase
항종양효소	세균성	L-asparaginase
기타효소	-	Kallidinogenase, Elastase, Tyrosinase, DNase, Carboxylase, 진단용 효소

⇒ 혈전 내에 생긴 피브린이 용해하여 혈전이 용해되는 현상은 혈장중의 plasmin의 작용에 의한다. 플라스민은 일종의 세린 프로테아제이며, 혈액 중에는 존재하지 않고 불활성전구체 형태인 plasminogen으로서 혈장 중에 함유되어 있다. 혈전 용해는 위와 같은 기작에 의해서 일어나는데 실제로는 플라스민 저해제 등에 의한 혈전 방해 등의 문제가 있다. 또 플라스민이 피브린에만 작용하도록 하지 않으면 출혈 등의 부작용을 일으킬 수도 있다. 따라서 플라스미노겐과 활성제가 피브린에 흡착하여 여기서 플라스민이 생기게 하면 매우 이상적이기 때문에 혈전 용해에 플라스미노겐 활성제를 사용하는 경우가 점점 늘어나고 있다. 이러한 plasmonogen activator 활성을 가진 것으로는 streptokinase, urokinase, single chain prourokinase, trypsin, staphylokinase, TPA 등이 있다.

중요한 혈전분해효소의 예로는, Streptokinase(SK)는 Hoechst-Roussel과 Kabi에 의해 제조된 것으로 용혈성 연쇄상 구균의 배양액에서 발견된 효소로서 플라스미노겐을 직접 활성화시키며, 플라스민으로 변화시킨다. SK는 본래 외래성 물질이기 때문에 인체 내에서 항원성을 가지고 있어 인체에 투여할 경우 발열, 알레르기, 저혈압 유발 등의 부작용을 일으키게 된다. 그러나 SK는 대량 생산이 용이하고 가격이 urokinase나 TPA보다 휠씬 저렴하며, 현재 항원성이 있는 부분을 없애거나 아실화하는 연구가 진행되고 있어 장래 혈전을 용해하는 치료제로서 기대되고 있다.

Urokinase는 1964년 일본의 녹십자에 의해 인뇨로부터 처음 공업화되었는데 최근 태아 콩팥세포의 조직배양으로 생산하는데서 최근은 유전자조작에 의해서 대량생산이 가능하게 되었으며, 국내에서는 녹십자 등에 의해 생산되고 있다. Urokinase는 인체의 콩팥 세포에 의해 만들어져 뇨중에 배출되며, 항원성이 없고 발열의 부작용이 없다. Urokinase는 일종의 세린 프로테아제이며, 플라스미노겐에 특이적 친화력을 가지고 활성화하는 인자로 저분자형(M.W. 33,000)과 고분자형(M.W. 54,000)이 있으며 고분자형의 활성이 높다. Tissue Plassminogen Activator (TPA)는 분자량 72,000의 세린 프로테아제의 일종으로 two-chain polypeptide로 구성되어 있다.

TPA는 피브린에 특이적으로 반응하여 플라스미노겐과 복합체를 형성하여 강력한 혈전 용해 작용을 나타내기 때문에 유로키나아제보다 출혈 등의 부작용이 적다. TPA는 이미 구미에서 유전공학적 방법에 의해 대량생산되고 있으며 또한 광범위한 임상실험이 진행되고 있는 등 혈전증치료에 각종 각광을 받고 있다.

소염진통 효소제는 생체 내에 외래성 유독물질이 침입하면 방어기작이 작용하게 되는데, 이 방어기작의 대표적인 물질이 백혈구계의 식세포인 마크로파지이다. 마크로파지의 방어기작 과정에서 염증이나 통증을 유발하는 물질이 분비되면 이러한 염증성물질 혹은 괴사조직을 제거해 주는 것이 소염효소이다. 소염효소제는 다당체 분해효소와 단백분해효소에 의한 제제로 나눌 수 있다.

다당체 분해 효소는 lysozyme이 알려져 있으며, 단백분해 효소로는 trypsin, chymotrypsin, pronase, serratiopeptidase, streptokinase/ streptodornase(SK/SD) 등이 알려져 있다. 라이소자임은 세균의 세포벽 성분인 muco-peptide의 N-acetylmuramic acid와 N-acetylglucosamine 사이의 β-1.4-linkage를 가수분해함으로써 작용을 한다.

프로테아제는 단백질 분해에 직접 작용하여 괴사 조직과 염증을 제거하는데 특별한 작용을 보인다. Streptokinase/streptodornase는 플라스미노겐을 플라스민으로 활성화하여 염증 조직의 피브린을 용해하여 항소염 작용을 나타낸다. Streptokinase/ streptodornase(SOD)는 1938년 Kelin이 처음 분리하였으며 각기 다른 금속이온을 촉매로 한 세가지 다른 형태로 존재한다.

SOD는 인체에서 hypoxanthine이 xanthine으로 전환될 때 생성되는 superoxide를 과산화수소로 변환시켜 염증제거를 한다. SOD는 여러가지 질병의 치료에 응용가능하며 현재는 만성 류마치스, 변형성 관절염, 방사선 장애 등의 질병에 소의 SOD가 사용되고 있으나 항원성 문제로 유전자 재조합 방법에 의한 인체 SOD 제조방법 등에 대한 연구가 국내 및 외국에서 진행되고 있다.

항종양 효소제는 암세포는 일반 세포와 달리 증식이 빠르고 정상세포에서는 발견되지 않는 특수한 영양 요구성을 나타내는 경우가 있다. 1953년 Kidd는 L-asparaginase가 종양의 증식을 억제한다는 사실을 발견한 이후 균주개량과 정제방법의 개선 등으로 L-asparaginase의 공업적 생산이 확립되었다. 이 효소는 L-asparagin 요구성을 가진 임파육종과 같은 세포에만 유효하며 E. coli의 L-asparaginase는 항원성을 가져 오심, 구토, 식욕부진, 쇼크 등의 부작용을 유발하여 새로운 유도체와 결합체의 개발을 통해 난점을 극복하려는 노력이 진행되고 있다.

Kallidinogenase 는 일종의 단백분해효소이나 엄밀히 말하면 호르몬제에 가까운 역할을 하며 칼리크레인이라고 불린다. Kallidinogenase는 사람의 뇨, 소의 뇨, 돼지의 췌장 등에서 얻어진다. Kallidinogenase는 bradykinin을 생성하며 이 bradikynin은 모세혈관의 투과성을 높이고 혈압을 떨어뜨려 뇌동맥경화증, 고혈압 등의 성인병 치료에 사용된다.

Elastase는 결합조건 중의 단백질인 elastin을 특이적으로 분해하는 일종의 세린프로테아제이고, 동물의 췌장에서 분비되며, 일부는 순환혈액중에 옮겨져 순환된다. 생체 내에서 혈관벽에 작용하여 변성된 엘라스틴을 제거하고 혈관 벽의 생성을 촉진, 혈관의 탄성을 유지시키는 등의 효과가 있으며, 혈청 지질을 조절하는 작용도 있다. Elastase는 동맥경화증, 고혈압, 당뇨병, 고지혈증 등에 유효한 효과가 있지만 과민증상, 설사, 변비 등의 부작용이 보고되고 있다.

이외에도 인체 유전질환에 의해 나타나는 효소결핍증의 치료를 위해, 현재 DNase가 cystic fibrosis에, 혈우병치료에 gama carboxylase, Gauchi disease의 치료를 위해 Ceredase 등이 상품화 내지 연구되고 있어 의료용 효소의 영역이 넓어지리라 기대된다.

B. 진단용 효소

진단용 효소는 요당의 측정에 있어서 glucose dxidase를 사용하여 실용화한 것이 최초이지만, 현재와 같이 대부분의 생화학적 검사항목이 효소를 이용한 측정을 하게 된 것은 1973년 Richmond가 콜레스테롤 옥시다아제(choresterol oxidase)에 의한 혈중 콜레스테롤의 측정과 lipase 및 glycerol dehydrogenase에 의 중성지방의 측정이 개발된 후 급격히 발전하였다.

효소가 갖는 반응 특이성과 기질특이성 때문에 고분자 및 저분자물질이 많이 존재하는 생체액을 물리화학적 예비처리 없이 단시간에 측정가능하기 때문에 효소를 이용한 임상진단분야가 현재 임상검사에서 요구하는 미량, 간편, 신속 및 측정정도를 높이는 조건을 만족시킬 수 있기 때문에 이 분야는 점차 발전할 추세이다.

따라서 임상용 진단효소로 갖추어야하는 특성은 고순도화되어 다른 효소의 내재로 인한 부반응이 없어야하고, 기질의 특이성이 높아서 체액 중 특정물질만 정량이 가능해야 하고, 효소자체의 안정성이 높아서 오랜기간의 저장 후에도 동일한 측정결과를 나타내어야 하고 기질에 대한 친화력(Km치가 적은 효소)이 높아서 소량의 기질로 신속하게 측정할 수 있어야 한다. 아울러, 효소의 용해성이 높으면서 측정용기에 흡착되지 않는 특성을 가지는 것이 바람직하다.

󰋼 향후 전망

과거에는 강산, 강알칼리, 가열 또는 용매추출 등의 위험한 조작을 행하여 생체분석을 하였으나, 효소의 기질 특이성 및 입체특이적 반응특성으로 인해 효소를 이용하면 여러 고분자 및/또는 저분자물질이 혼재된 반응액에서 원하는 특정 성분을 물리화학적 예비처리 없이 단시간에 쉽게 측정할 수 있으므로, 앞으로 효소들의 기능과 특성을 충분히 반영하여 이를 진단용으로 활용하려는 효소 이용 연구가 임상진단분야에서 활발히 이루어질 것으로 판단된다. 예컨대, 진단용 효소가 주로 활용된 특정질병 진단용 키트나 단백질칩 등은 현재 임상검사에서 요구하는 미량, 간편, 신속 및 측정정도를 높이는 조건을 만족시키는 대표적인 예라 할 수 있으며, 동일 반응을 촉매하는 아이소자임을 측정하는 방법이나 이에 대한 항체로 효소를 분석하는 방법도 이러한 진단용 키트 또는 단백질칩의 형태로 구체화될 것으로 판단된다.

진단용 효소에 많이 사용되는 Oxidase

효 소 명

용 도

Glucose oxidase Galactose oxidase Cholesterol oxidase L-α-Glycerophosphate oxidase Glycerol oxidase Choline oxidase Ethanolamine oxidase Acyl-CoA oxidase Urate oxidase Sarcosine oxidase Pyruvate oxidase Lactate oxidase Ascorbate oxidase Xanthine oxidase Nucleoside oxidase L-Amino acid oxidase Arginine oxidase L-Glutamate oxidase Glutathione sulphide oxidase Lysine α-oxidase Phenylalanine oxidase D-Amino acid oxidase D-Aspartate oxidase Amine oxidase (monoamine) (diamine) Tyramine oxidase Putorescine oxidase Agmatine oxidase Polyamine oxidase Alcohol oxidase Oxalate oxidase Glycollate oxidase NADH oxidase

glucose, amylase galactose cholesterol, lecithincholestol transferase 중성지방, 글리세린 중성지방, 글리세닌 인지방, sphingomyelin choline esterase, alkaliphosphatease choline phosphatidyl ethanalamine 유리지방산, 카르니틴 파르미틸 트랜스페라아제, 리파아제 요산 Creatinine, Creatine 피루빈산, GOT, GPT, 시알산, 무기인 유산, 아미노산 아스코르빈산 크산틴, 구아나노신, 아데노신, 디아미나아제 리포뉴클라아제, 뉴클레오시드 L-아미노산, 로이신아미노펩티디아제 알기닌 L-글루타민산 글루티티온, 시스틴 라이신 페닐아라닌 D-아미노산 D-아스파라긴산 모노아민 디아민 tyramine putrescine agmatine 폴리아민(스퍼민, 스퍼미딘) 에탄올 수산 글리콜산 NADH, 탈수소효소

이와 같은 특성을 갖는 효소로는 urease, uricase, lipase, lactate dehydrogenase, amylase, creatine phosphokinease, choline esterase 등이 사용되지만 주로 많이 사용되는 것이 옥시다아제 계통의 효소이고 주요 효소목록은 표 3-6.과 같다. 한편, 생화학적인 효소검사는 장기의 손상에 의한 효소생산 변환을 측정하는 데 동일한 반응을 촉매하는 효소가 여러 장기에서 분포하기 때문에 아이소자임(isozyme)이 존재하고 이런 아이소자임의 존재로 인하여 어떤 장기에서 유래된 효소임을 판단하기 어려워 손상장기를 진단하기 어려운 단점이 있다. 이런 단점을 극복하기 위해서 효소진단방법은 전기영동법에 의해서 아이소자임 량을 측정하는 방법을 개발하거나 아이소자임의 항체를 이용한 새로운 효소분석방법이 개발되고 있다.

또한 amylase의 경우는 S형과 P형이 존재하는데 S형 인지저해 항체를 이용해서 P형 효소만 선택적으로 측정하기도 하고 GOP(Glutamate oxaloacetate transaminase)의 경우는 m형과 s형이 있는데, s형만이 protease 401에 의해서 분해되어 실활하는 특성을 활용하여 분리하여 측정하기도 한다. 효소활성에 요구되는 무기 물질 등의 미량물질의 정량에도 효소를 이용하는데, Mg++2의 경우는 glycerol kinease가 기질인 glycerol과 ATP가 Mg의 존재 없이는 활성을 나타내지 않는 특징을 활용한다.

효소의 리사이클링 방법도 기존의 효소측정법을 10-1000배 정도의 감도를 향상시킬 수 있는데, 두가지 효소를 사용하여 피검체를 리사이클시키면서 반응산물을 증폭 생산하여 반응감도를 높이는 방법인데, 실용적인 예로는 임신부의 양수 중 phosphatidyl glycrol의 농도는 신생아의 호흡궁박증후군의 주요지표이지만 현재까지 효소측정법으로는 양수중 농도가 너무 낮아서 측정하기 어려웠는데, phospholipase D와glycerokinase로 리사이클링을 시키면서 생성된 고농도의 과산화수소를 발색시킴으로 미량의 검체액(50㎕)으로 15분 이내에 측정이 가능했다.

면역측정용 효소는 면역측정의 항원항체반응을 정량화하는데 필요한 표지로 효소를 사용하여 효소역가를 측정함으로서 항원 또는 항체의 량을 측정하는 방법으로 가장 많이 사용되는 효소로 peroxidase, galactosidase, alkaline phosphatase, glucose oxidase를 사용하고 있고 최근에는 효소의 개발로 대장균유래의 galactosidase의 경우는 0.04amol(amol = 10-18 mol) 극초미량의 농도에서도 측정이 가능해서 면역 측정용 신효소 개발에 역점을 두고 있다.