화학과 이진용 교수 연구팀(공동 제1저자 함형철)은 고려대학교 및 싱가포르 국립대학교 공동 연구팀과 함께, 저산소 암 조직에서도 생체 내 물을 직접 산화시켜 염증성 암세포 사멸(파이롭토시스)을 유도하는 차세대 광치료제 ‘NDI-COE’를 개발했다. 이번 연구는 기존 광역학 치료의 산소 의존성 한계를 극복하기 위해 세포막에 삽입되어 물을 산화시키는 신물질을 설계한 것으로, 국제학술지 'Journal of the American Chemical Society' (IF: 15.7)에 2026년 1월 28일 게재되었다.

특히 이진용 교수팀은 밀도범함수이론(DFT) 계산을 바탕으로 NDI-COE의 우수한 광화학적 작동 기전을 분자 수준에서 명확히 규명했다. 비공유 상호작용(NCI) 분석 결과, NDI-COE는 물 분자와 이중 수소 결합을 형성하며 대조군보다 훨씬 강한 결합 에너지(-5.21 kcal/mol)로 물 분자를 안정적으로 포집하는 것으로 확인되었다. 또한 전자 구조 분석을 통해, 빛을 받아 반응성이 높은 삼중항 상태(T1)로 전이되는 스핀-궤도 결합(SOC) 효율이 대조군 대비 약 7.5배(2.87 cm⁻¹) 높게 나타나 우수한 광화학적 반응성을 입증했다. 나아가 산화-환원 전위 계산 결과는 NDI-COE의 들뜬상태 산화 전위(-0.39 V)가 산소 분자로의 자발적인 전자 전달을 촉진해 활성산소를 매우 효율적으로 생성할 수 있는 열역학적 조건을 갖췄음을 증명하였다.

이처럼 DFT 계산을 통해 정량적으로 규명된 신물질의 특성들은 향후 저산소 종양 환경을 극복하는 혁신적이고 정밀한 차세대 광치료제 설계에 있어 중요한 이론적 근거로 활용될 것으로 기대된다.

▲(A) NDI-COE의 비공유 상호작용(NCI) 분석. 파란색은 수소 결합, 초록색은 반데르발스(vdW) 상호작용, 빨간색은 입체 반발을 각각 나타낸다. 

(B) NDI-COE와 물 사이의 결합 길이 및 결합 위치. (C) 물 존재하에서 NDI-COE의 계산된 라만 스펙트럼 비교. 

(D) Ben-COE의 NCI 분석. (E) Ben-COE와 물 사이의 결합 길이 및 결합 위치. (F) 물 존재하에서 Ben-COE의 계산된 라만 스펙트럼 비교. 

(G) Ben-COE와 (H) NDI-COE의 에너지 준위도 및 광물리적 과정. 3G에서 S₀: 단일항 바닥 상태의 중성 분자,

 D₀: 전자 1개를 받아 형성된 음이온의 바닥 상태 이중항. AEA: 아디아바틱 전자 친화도.

(I) 물을 용매로 하는 극화 연속체 모델(PCM)을 사용한 DFT 계산을 통해 바닥 상태 및 여기 상태의 산화·환원 전위(V vs NHE)를 계산하였다. 

(J) 물을 용매로 하는 PCM 기반 DFT 계산으로 얻은 NDI-COE와 Ben-COE의 바닥 상태 및 

여기 상태 산화·환원 전위(Eₒₓ, Eᵣₑd, Eₒₓ*, Eᵣₑd*; V vs NHE)와 프론티어 오비탈 에너지(HOMO, LUMO; eV)