연구성과

화공 차형준 교수팀, 홍합과 멍게 닮은 ‘나노폭탄’으로 암세포만 집중 공격한다

2021-12-16 99

[차형준 교수팀, 해양바이오소재 기반 광 감응성·접착성 나노폭탄 개발]

[‘빛으로, 기체로, 약물로’ 삼중복합치료 실현해 암 치료효과 높여]

국내 연구팀이 홍합과 멍게의 특성을 모사해 암세포만 집중적으로 공격하는 ‘나노 항암제 폭탄’을 개발했다. 이 나노폭탄은 빛을 비추는 특정 부위에만 열을 발생시키고, 항암 효과가 있는 일산화질소 기체*1를 생성함과 동시에 항암제를 방출해 광열*2·기체·약물의 삼중복합치료가 이뤄지게 한다.

화학공학과 차형준 교수·정연수 박사 연구팀은 경북대학교 융합학부 의생명융합공학과 조윤기 교수팀과의 공동연구를 통해 홍합의 접착단백질과 빛과 전자를 이동시키는 멍게의 카테콜·바나듐 복합체를 모방한 광 감응성·접착성 나노폭탄을 개발했다. 광 감응성이란 외부의 빛에 따라서 특성이 변화하는 성질을 의미한다.

암은 여러 생물학적 경로를 통해 발생하기 때문에 한 가지 약물로 치료하는 방법보다는 다양한 치료를 병행하는 방법이 주로 이용된다. 그러나 체액이 존재하는 몸속에서 여러 치료제를 특정한 암 부위에만 동시에 전달하기는 매우 어려웠다.

그 중에서도 광 감응성이 있는 약물 전달체는 주로 금, 탄소, 또는 플라스틱과 같은 합성고분자 기반의 나노입자로 만들어졌다. 이에 따라 몸속에서 잘 사라지지 않아 전신 독성의 위험이 있었고, 빛을 흡수해 열을 만들어내는 광열 전환(Photothemal Conversion) 효율이 낮아 치료 효과에 한계가 있었다.

차형준 교수팀은 멍게에서 빛과 전자가 이동하도록 돕는 카테콜·바나듐 결합을 홍합접착단백질에 적용해 나노입자를 만들어 냈다. 이 나노입자에 적외선을 쬐면 5분 안에 50도까지 온도를 높일 수 있고, 광열 전환 효율도 약 50%로 우수했다. 강한 접착력으로 암세포에 오래 머물 뿐만 아니라, 생체적으로 적합하고 잘 분해되는 홍합접착단백질로 만들어져 기존 광 감응성 소재의 한계였던 낮은 안전성을 극복하기도 했다.

나노입자에 온도 감응성 일산화질소 공여자*3와 항암제를 담고 적외선을 쬐자, 광열효과에 의해 일산화질소 기체와 약물이 효과적으로 방출됐다. 즉, 나노폭탄으로 활용될 가능성을 확인한 것이다. 기체 상태의 일산화질소는 몸에서 금방 분해돼 항암 작용이 효과적으로 일어나기 어려웠는데, 나노폭탄을 이용하면 빛으로 기체 방출을 조절할 수 있어 일산화질소의 전달 효율을 크게 높일 수 있다.

동물 대상의 전임상시험 결과, 광열치료만 했을 때는 치료 시작 약 15일 뒤부터 종양이 다시 자라난 것과 달리, 나노폭탄으로 삼중복합치료 시 약 한 달간 종양이 관측되지 않을 정도로 지속적인 효과가 나타났다.


차형준 교수는 “하나의 나노입자로 다양한 치료제를 국소적으로 투여할 수 있고 하나의 자극으로 복합치료요법을 손쉽게 조절할 수 있어 향후 암 환자의 치료에 효과적으로 사용될 수 있다”며 “이 나노폭탄은 광열, 기체, 약물치료에 더해 유전자, 항체 등 다양한 치료제나 조영제를 전달할 때도 응용 가능해 질환이나 환자 특성에 따라 폭넓게 활용될 수 있다”고 말했다.

결과는 재료과학 분야 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 헬스케어 머터리얼즈(Advanced Healthcare Materials)’ 12월호 표지논문으로 선정됐으며, 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 중견연구사업과 우수신진연구사업, 학문후속세대지원사업 그리고 해양수산부가 지원하는 해양바이오산업 신소재연구단 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.


한편, 홍합접착단백질 소재 기술은 네이처글루텍에 기술이전을 완료, 현재 임상시험계획(IND) 승인을 거쳐 의료접착제로의 임상시험이 추진되고 있다.


1. 일산화질소 기체
몸에서 혈관의 항상성 유지나 면역 작용과 같은 여러 생물학적 기능을 하는 기체로, 항암 효능이 있어 항암제로서 많은 연구가 이뤄지고 있다.

2. 광열치료
빛을 가했을 때 발생하는 열을 이용해 암을 치료하는 방법으로 암세포는 정상세포보다 열에 약해 선택적으로 암세포를 사멸시킬 수 있다.

3. 온도 감응성 일산화질소 공여자
온도에 반응해 일산화질소 기체를 방출하는 화합물.