A therapeutic strategy based on glucose and hydrogen peroxide depletion for metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease = 포도당과 과산화수소 동시 조절에 기반한 대사기능장애 연관 지방간 질환 치료 전략

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Metabolic dysfunction–associated steatotic liver disease (MASLD) is an increasingly prevalent global health challenge, yet effective pharmacological interventions remain limited. Despite advances in the understanding of disease mechanisms, current therapeutic strategies have shown only partial efficacy, underscoring the urgent need for novel approaches. This study focused on the development and biological validation of a dual-enzyme nanoparticle system designed to simultaneously regulate glucose metabolism and oxidative stress in hepatocytes. My primary contribution was to perform in vitro and in vivo experiments that establish the biological efficacy and mechanistic relevance of this system.
At the cellular level, AML12 hepatocytes were employed to evaluate nanoparticle uptake, safety, and functional activity. Cytotoxicity testing confirmed the biocompatibility of the particles. Galactose modification promoted selective uptake into hepatocytes through asialoglycoprotein receptor–mediated endocytosis, thereby ensuring targeted delivery. Importantly, co-encapsulation of glucose oxidase (GOD) and catalase (CAT) enabled simultaneous glucose depletion and decomposition of hydrogen peroxide (H₂O₂). Fluorometric assays revealed that GOD alone induced H₂O₂ accumulation, whereas dual loading with CAT effectively scavenged H₂O₂ in a dose-dependent manner, with complete elimination achieved at a GOD:CAT ratio of 1:3. Intracellular free fatty acid measurements demonstrated that GOD-loaded nanoparticles partially reduced lipid levels, but only the dual-enzyme formulation produced a robust and sustained decrease, indicating synergistic reprogramming of hepatocellular metabolism.
In vivo validation was performed in a mouse model of MASLD established by high-fat diet feeding. Intravenous administration of dual-enzyme nanoparticles for four weeks resulted in marked improvements in liver histology, with hematoxylin–eosin staining showing substantial reductions in lipid droplet accumulation compared to both control and single-enzyme groups. Western blot analysis revealed significant downregulation of acetyl-CoA carboxylase 1 (ACC1) and upregulation of carnitine palmitoyltransferase I (CPT1) and adipose triglyceride lipase (ATGL), collectively reflecting suppression of de novo lipogenesis alongside enhanced fatty acid oxidation and lipolysis. Furthermore, the dual-enzyme formulation improved systemic metabolic parameters, as evidenced by reductions in serum insulin and glucagon-like peptide-1 (GLP-1) levels, restoration of intracellular glucose balance, and normalization of AMP-activated protein kinase (AMPK) phosphorylation.
Taken together, these results demonstrate that simultaneous depletion of glucose and H₂O₂ alleviates mitochondrial dysfunction, restores metabolic homeostasis, and significantly reduces steatosis and insulin resistance in MASLD. By integrating substrate control and redox regulation into a single hepatocyte-targeted platform, this dual-enzyme nanoparticle approach provides a comprehensive correction of pathogenic mechanisms that cannot be achieved through single-pathway interventions. The findings not only validate the therapeutic potential of enzyme-based nanomedicine in metabolic liver disease but also provide a strong preclinical foundation for future translational studies.

국문 초록 (Abstract)

대사기능장애 관련 지방간질환(MASLD)은 비알코올성 지방간질환(NAFLD)의 새로운 정의로, 전 세계적으로 환자 수가 급격히 증가하고 있음에도 불구하고 효과적인 치료제가 부족한 실정이다. 특히 MASLD는 간 내 과도한 지방 축적과 더불어 포도당 대사 이상, 산화 스트레스, 인슐린 저항성이 복합적으로 얽혀 발병하며, 장기적으로는 간경변증이나 간세포암종으로 진행될 수 있어 조기 개입이 필수적이다. 이러한 배경에서, 단일 대사 경로나 특정 효소만을 표적으로 하는 기존 치료 전략은 제한적 효능을 보이며, 근본적인 대사 균형 회복에는 한계가 있다.
본 연구에서는 포도당 산화효소(GOD)와 카탈라아제(CAT)를 대공극 메조기공 실리카 나노입자에 동시 탑재하여, 포도당 고갈과 과산화수소(H₂O₂) 제거를 동시에 유도할 수 있는 이중 효소 기반 나노입자를 개발하였다. 이 시스템은 간세포 특이적 수용체인 ASGPR을 표적화하는 갈락토스 리간드가 결합되어 있어, 간세포 내로의 선택적 전달 효율을 극대화하였다.
세포 수준의 검증에서, 이중 효소 나노입자는 세포 독성을 유발하지 않으면서 포도당을 효과적으로 소모하고 과산화수소를 제거하여, 활성산소종(ROS) 축적을 억제하고 미토콘드리아 기능을 보존하였다. 그 결과, 자유지방산(FFA) 함량이 뚜렷하게 감소하였으며, 이는 지질 대사가 정상화되었음을 의미한다.
생체 내 실험에서는 고지방 식이로 MASLD를 유도한 마우스 모델에 대해 이중 효소 나노입자를 4주간 정맥 주사하였다. 조직학적 분석(H&E 염색)에서 간세포 내 지방 축적이 크게 줄어들고 섬유화 관련 인자의 발현이 억제됨을 확인하였다. Western blot 분석에서는 지방합성의 핵심 효소인 ACC1의 발현이 감소하고, 지방산 산화를 담당하는 CPT1 및 중성지방 분해를 촉진하는 ATGL의 발현이 증가하여, 지질 대사가 산화 및 분해 중심으로 재편성(reprogramming)된 것이 관찰되었다. 또한 혈청 분석에서는 인슐린 및 GLP-1 수치가 유의하게 개선되었고, 간세포 내 포도당 농도가 낮아져 전신적인 인슐린 감수성 회복과 포도당 대사의 정상화가 입증되었다.
종합적으로 본 연구는 포도당 고갈과 과산화수소 제거를 동시에 수행하는 이중 효소 기반 나노입자가 MASLD의 병리적 기전을 근본적으로 교정함으로써, 미토콘드리아 기능 회복, 지질 대사 촉진, 인슐린 저항성 개선 등 다각적인 치료 효과를 제공함을 보여주었다. 이는 MASLD 치료에 있어 단일 표적 접근의 한계를 넘어서는 정밀 대사 조절 전략으로서, 향후 임상 적용 가능성을 제시하는 중요한 전임상 근거라 할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract iii
• Table of Contents vii
• List of Figures viii
• Introduction 1
• Methods 11
• Results 18
• Discussion 49
• References 55
• Abstract in Korean 61