관련 기사 : 조선비즈, 경북일보, 대구일보, 포스텍, 베리타스알파, 뉴데일리

포스텍(POSTECH)은 한세광 신소재공학과 교수와 최현식 박사연구팀이 정승환 서울대 교수팀, 고규영 기초과학연구원(IBS) 혈관연구단장(KAIST 의과학대학원 특훈교수), 스페인 카탈로니아생물공학연구소(IBEC)와 공동연구를 통해 방광 내 환경을 이용해 스스로 추진력을 얻고, 치료제를 필요한 곳에 정확하게 전달하는 스마트 자가추진 나노모터를 개발했다고 18일 밝혔다.

방광암은 재발률이 높아 전 세계적으로 많은 환자에게 큰 고통을 주는 질병이다. 또 방광암을 치료하기 위해 약물을 방광에 직접 주입하더라도 반복적인 배뇨와 방광벽의 점막층이 약물의 흡수를 방해해 치료 효과가 제한적이었다.

연구팀은 방광 내에 풍부한 요소(urea)를 활용하는 새로운 방법을 개발했다. '요소 분해효소(urease)'를 나노입자에 결합해 방광 내 요소를 암모니아와 이산화탄소로 분해할 때 발생되는 기체를 이용, 나노입자 약물전달체에 추진력을 제공하도록 했다. 이를 통해 약물을 실은 아주 작은 나노모터가 빠르게 방광벽에 도달해 효과적으로 약물을 전달하는 신개념 방광암 치료 시스템으로 구현했다.

연구팀의 나노모터는 스팅(STING:수지상세포 내에 존재하는 선천성 면역에 관여하는 인터페론 유전자 자극제) 작용제를 탑재, 방광벽의 수지상세포 내 STING 경로를 활성화하고, 이를 통해 암세포를 공격하는 면역 반응을 촉진했다. 그 결과, 방광암 세포 증식을 94.2% 억제했으며, 기존 치료제보다 암 부위에 11배 더 많은 세포독성 T림프구(암세포 공격 면역세포)를 유도했다.

또 현재 의료현장에서 방광암 환자에게 사용되고 있는 면역치료제(BCG)와 비교했을 때, STING 탑재 나노모터가 보다 더 우수한 치료 효과를 나타냈으며, PD-1억제제(Pembrolizumab)와 병행해 투여할 경우 방광함 치료 효과가 극대화되는 시너지 효과가 나타나는 것도 확인했다.

한세광 교수는 “연구팀의 나노모터 기술을 활용하면 약물이 방광벽에 빠르고 정확하게 전달되어 면역치료의 성공률을 획기적으로 높일 수 있을 것”이라며, “방광암뿐만 아니라 다른 난치성 질환에도 적용될 수 있는 약물전달 플랫폼 기술”이라고 말했다.

과학기술정보통신부의 기초연구사업, 범부처전주기의료기기연구개발사업, 혁신연구센터사업(B-IRC), 교육부의 학문후속세대지원사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 최근 국제 융합연구 대표적 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인판에 게재됐다. 

관련 기사 : 포스텍, 베리타스알파, 연합뉴스, 헤럴드경제, 브레이크뉴스

국내 연구팀이 위점막을 통과해 24시간 이상 위에 머물면서 약물을 전달한 후 완전히 몸 밖으로 배출되는 마이크로모터를 개발했다.

위점막과 점액 사이에서 기생하는 헬리코박터 파일로리균은 효과적으로 위점막을 통과하는 특성이 있다. POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 신소재공학과 한세광 교수, 최현식 박사 연구팀은 이러한 헬리코박터 파일로리균의 특징을 모사해서 위점막을 통과해 24시간 이상 약물을 위(胃)에 전달하는 요소분해효소(urease) 기반의 마이크로모터 약물전달체를 개발했다.

아주 작은 크기의 마이크로·나노모터는 추진력이 있어서 신개념의 약물전달체로 각광 받고 있다. 지금까지 연구, 개발된 마이크로·나노모터는 일반적으로 아연과 마그네슘과 같은 금속 성분으로 만들어져 몸속 장기의 수분과 반응해 생기는 과도한 추진력에 의해 일부 장기 손상을 야기할 수 있으며, 약물을 전달한 후 전달체가 분해되지 않은 채 몸속에 남는다는 문제가 있었다.

한세광 교수팀은 헬리코박터 파일로리균이 위 점막을 뚫고 위 안에서 오래 살아 남는 특징에 착안해 생분해성 고분자를 이용한 요소분해효소 추진 마이크로모터를 개발했다. 이 모터는 모터 표면의 요소분해효소와 요소(urea)가 반응해 암모니아 가스가 생성되면서 추진력이 생기는데 이때 위 점막의 수소농도이온지수(pH)가 높아져 모터 주변이 액화됨에 따라 점막 안으로 약물을 전달할 수 있다.

동물실험 결과, 입으로 투여된 마이크로모터는 24시간 동안 위에 머물렀으며 약물을 방출한 지 3일이 지난 후 완전히 몸 밖으로 배출됐다. 즉, 생체적합성에도 전혀 문제가 없음을 동물실험 및 조직학적 분석을 통해 확인했다.

한세광 교수는 “이번에 개발한 마이크로모터는 기존의 약물전달시스템보다 위벽을 강하게 투과하여 오래 머무를 수 있다”며 “이를 위장염, 위암과 같은 다양한 위 질환 치료에 효과적으로 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구사업의 지원으로 이뤄졌으며, 본 결과는 생체재료과학 분야 학술지 ‘바이오액티브 머터리얼즈(Bioactive Materials, IF = 14,593)’와 ‘바이오머터리얼즈(Biomaterials, IF = 12.479)’에 온라인으로 게재됐다.​

관련 기사 : 경북일보, 뉴데일리, 헤럴드경제, 프레시안, 경북신문, 대경일보, 경북도민일보, 톱스타뉴스, 뉴시스, 국민일보, 베리타스알파, 교수신문

체내에 장치를 삽입하여 호르몬 분비를 촉진하거나 막는 장치 삽입술은 피임이나 당뇨 치료에 많이 활용되고 있다. 그렇다면 생체 내에서 자유롭게 움직이며 병을 치료하는 나노로봇은 가능할까? 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 방광 속에서 질병을 치료하는 나노모터를 개발했다.

POSTECH 신소재공학과 한세광 교수, 최현식 박사 연구팀은 인체 내 방광벽 점막층에 깊이 침투하여 장기간 머물 수 있는 고분자 나노모터를 개발하는 데 성공했다. 이 고분자 나노모터는 우리 몸의 생체효소에 의해 구동되며, 다양한 방광 질환 치료에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

지금까지 방광암, 과민성 방광, 요실금, 간질성 방광염과 같은 방광 질환을 치료하기 위해서는 정맥에 주사하는 방법이 주로 이용돼 왔다. 하지만, 기존 약물 전달체의 경우 방광에서 약물 분자가 수동적으로 확산되며, 일상적인 소변으로 체외로 배출되기 때문에 약물전달 효율이 낮다는 문제가 있다.

이에 연구팀은 방광에서 오래 머무르면서 생체효소에 의해 움직일 수 있는 고분자 나노모터를 개발, 실제 작동 여부를 동물실험을 통해 검증했다. 요소분해효소가 장착된 도파민고분자 나노모터를 방광에 주사하면 요소가 활성 효소에 의해 이산화탄소 및 암모니아로 분해되는데 이때 발생되는 이산화탄소 기체에 의해 나노모터의 추진력이 생긴다.

​

이렇게 삽입된 나노모터는 배뇨 후에도 방광 벽의 점막층으로 침투가 촉진되어 방광에 장기간 체류할 수 있다. 나노모터의 이런 특성은 방광 내 약물 전달체로서 다양한 방광 질환을 치료하기 위해 효과적으로 활용될 수 있다.

이번 연구는 요소분해효소가 장착된 나노모터를 약물전달체로 개발하여 다양한 질환 치료에 적용할 수 있다는 것을 규명한 최초의 사례이다.

교신저자인 한세광 교수는 "이번에 개발된 생체친화성 나노모터 기반 약물전달시스템을 이용해 다양한 난치성 질환 치료에 활용할 수 있을 것으로 기대된다“고 말했다.

한편, 이 연구결과는 과학 학술 전문지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 최신호에 게재됐으며, 이 연구는 한국연구재단 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.