서울아산병원 김송철·주진명 교수팀 국내 최초 개발
천만분의 1미터 이하의 생분해성 실리콘 나노입자를 이용해 약물의 생체 내 이동 및 분해되는 과정을 비침습적인 방법으로 측정할 수 있는 모니터링 시스템이 개발됐다.
부작용 없이 체내에서 이루어지는 약물전달과 치료과정을 신속하게 모니터링 함으로써 지금까지는 혈액이나 조직검사를 통해 이뤄져야 했던 약물전달 모니터링 과정을 간소화하고 치료 효과에 대한 피드백도 획기적으로 개선할 수 있을 전망이다.
서울아산병원 융합의학과 주진명 교수, 간담도췌외과 김송철 교수팀은 생분해성 실리콘 나노입자의 형광특성을 이용한 약물전달 모니터링 시스템을 최근 국내 처음 개발했다.
실리콘은 독특한 광학적 특성으로 인해 나노입자로 제작할 때에 특유의 근적외선 형광신호를 발생시킨다. 이 실리콘 나노입자의 형광신호는 일반적인 유기물 또는 생체 내에서 발생하는 자가형광에 비해 매우 긴 감쇄시간을 가지기 때문에 생체 외부에서 비침습적인 방법으로 명확하게 구분이 가능하다.
일반적으로 나노입자의 생체 내 이동과정과 약물 방출과정을 모니터링 하는 기술은 유기물 형광체를 나노입자에 인위적으로 결합하거나 혈액 또는 조직검사를 통한 방법을 이용했지만, 생분해성 나노입자 고유의 형광특성을 이용하여 비침습적으로 약물 전달 과정을 모니터링 하는 기술은 드물었다.
특히 이번 연구에 시분해(time-resolved) 형광분광법을 활용하여 실리콘 나노입자의 생체 내 형광 감쇄시간을 측정하고 이를 특수장비로 촬영해 약물방출과정을 모니터링 하는 기술은 형광세기 신호를 통해 나노입자와 약물의 생체 내 이동과정을 추정하는 기존방법의 한계를 혁신적으로 극복한 것이다.
연구팀은 실리콘 나노입자의 형광감쇄시간이 수백 마이크로초에 이르는 것에서 착안해, 수십 나노 초(nano-second)에 불과한 자가형광의 감쇄시간으로부터 구별해내는 방법을 찾았다. 또한 약물을 탑재한 실리콘 나노입자의 생분해 과정에서 형광신호의 파장이 짧아지면서 감쇄시간이 감소하는 것을 확인했고, 이 과정을 신속하게 측정함으로서 생체 내 약물 전달 과정을 모니터링 할 수 있는 길을 열게 된 것이다.
나노입자를 이용한 약물전달 시스템에 대한 연구는 차세대 의학플랫폼으로 전세계적인 관심을 받으며 진행되어오고 있다. 약물전달시장 규모는 2016년을 기준으로 285억 달러를 기록했으며 2025년까지 연평균 14% 이상 성장할 것으로 전망되고 있다.
하지만 체내 주입시 독성이나 부작용에 대한 해결책이 완전히 제시되지 못해 매우 제한적인 기술만 FDA 승인을 통해 중개의학적으로 활용되어왔다. 하지만 실리콘 나노입자는 생체 내에 주입된 후에 규산(silicic acid)형태로 분해되어 체외로 배출되며, 이 과정에서 생체 부작용을 야기하지 않는 것으로 알려져 향후 무독성 나노 약물 전달체로 크게 각광받을 것으로 기대된다.
신약개발에 대한 리스크를 줄이면서도 신약과 같은 파급효과를 일으킬 수 있는 약물전달시스템은 약물의 방출, 흡수를 제어하거나 병변부위에 약물을 표적 전달함으로써 치료효과를 극대화 할 수 있다.
이번 연구에서 사용된 실리콘 나노입자는 분자수준의 화학약물 외에도 DNA, RNA와 같은 유전자 또는 여러 종류의 단백질도 탑재해 전달할 수 있다고 보고돼있으며, 감염질환과 암 등 다양한 질병에 대한 표적치료도 가능한 플랫폼으로 평가되고 있다.
주진명 서울아산병원 융합의학과 교수는 “나노입자를 이용한 약물 전달 플랫폼은 전세계적으로 오랜 기간 주목받고 있었지만 독성평가에 대한 해답이 명확히 제시되지 못해 매우 제한적인 영역에서만 임상으로 이어지고 있다. 하지만 최근에는 다양한 분야와의 융합연구를 통해 중개의학적 활용가치와 경제적, 산업적 파급효과가 높은 연구에 대한 투자와 성과보고가 가속화되고 있다”고 말했다.
김송철 서울아산병원 간담도췌외과 교수는 “이번 연구결과를 통해 나노소재와 생체의 상호작용에 대한 기초연구는 물론 약물처방과 치료과정 사이에 빠른 피드백을 통해 치료효과를 극대화 할 수 있는 기술개발에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”면서 “특히 생존율이 매우 낮은 췌장암 환자에 대한 수술과 세포이식 치료 후 약물 방출과 모니터링을 통해 치료효과를 극대화 하는 방안을 후속연구로 진행 중”이라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 울산대학교 의과대학 및 미국 캘리포니아대학 샌디에고 캠퍼스, SBP의학연구소 등 국제연구팀과의 공동연구로 진행됐으며 교육부의 이공학개인기초연구지원사업과 보건복지부의 보건의료기술연구개발사업, 과학기술정보통신부의 바이오의료기술개발사업, 아산생명과학연구원 등의 지원을 통해 수행됐다. 연구결과는 재료과학분야의 세계적인 학술지인 어드밴스드 머터리얼즈(I.F.=21.95) 온라인판에 최근 게재됐다.
