국내 연구진이 암 등 주요 질병을 치료하기 위해 약물을 전달하거나 질병 영상화를 위한 조영제 등에 사용될 수 있는 차세대 의료소재인 무독성 나노인공세포를 효율적으로 생산하는 공정 개발에 성공했다. 나노인공세포는 내부에 핵과 외부에 세포막이 존재하는 인간 세포(동물세포)와 유사하게 내부에 금속 나노입자가 존재하고 이를 세포막의 구성성분인 인지질 막이 둘러싸고 있는 물질이다.
서강대 강태욱 교수 연구팀은 내부에는 금속 나노입자, 외부에는 리포좀(liposome)으로 이뤄진 독이 없는 나노인공세포를 개발했다. 특히 리포좀 내부에서만 자동적으로 나노입자가 생성하도록 해 별도의 분리정제 공정이 필요하지 않다. 기존 방법 대비 순도는 약 100배 높아져 의료소재의 비용을 획기적으로 낮출 수 있게 됐다.
암과 같은 주요 질병의 조기 진단 및 보다 정확한 치료를 위해 다양한 나노물질들이 차세대 의료소재로 주목 받고 있다. 그러나 상용화를 위해서는 나노물질의 생체독성 문제를 해결해야 한다.
나노물질을 보다 우리 몸에 사용하기 적합하게 만드는 방법 중의 하나는 나노물질 표면을 생체친화적인 물질로 코팅해주는 것이다. 하지만 지금까지 보고된 방법들은 생산량이 매우 낮고, 아울러 원하는 생체적합한 물질로 코팅된 나노물질의 생성 비율이 1% 이하로 매우 낮아서 별도의 분리공정을 통해 순도를 높여야 했다. 이 문제를 해결하기 위한 새로운 공정의 개발이 필요하다.
따라서 연구팀은 무독성 나노인공세포만을 별도의 분리공정 없이 높은 순도로 생산하는 공정을 새롭게 개발했다. 개발된 무독성 나노인공세포는 △내부 금속 나노소재와 △외부 리포좀으로 이뤄져 있다. 연구팀이 만들어낸 외부 리포좀은 인지질 이중층으로 이뤄져 있다. 이것은 인간의 세포와 같은 성분이며, 같은 구조이다.
연구팀은 인간의 세포의 주요 성분인 인지질 이중층으로 이뤄진 리포좀(liposome)에서 관찰되는 독특한 물질투과 현상에 착안해 리포좀 내부에서 나노소재가 성장하도록 유도했다.
연구팀은 먼저 △크기가 커 투과가 어려운 분자(예를 들어, 환원제)를 리포좀이 생성될 때 선택적으로 내부에 담기도록 하였다. 그리고 △금속이온 중 일부가 리포좀 막을 투과해 내부로 확산되면서 내부에 존재하는 환원제와의 반응을 통해 금속 나노소재로 성장을 유도했으며, 이를 통해 리포좀 내부에 나노소재를 자연적으로 형성시켜 나노인공세포를 만들었다.
외부 리포좀은 나노인공세포를 생체적합하게 만들어 주며, 아울러 리포좀 내부에서만 자동적으로 나노물질이 생성되기 때문에 기존 방법들의 생산량 및 순도 문제를 해결할 수 있었다. 순도는 100배 이상 증가됐다. 나노인공세포가 기존 금속 나노입자보다 10배 이상 더 뇌, 심장 및 간세포에 잘 전달됐고, 독성도 나타내지 않았다.
개발된 나노인공세포는 기존 무기 나노소재의 생체독성을 해결하고, 별도의 분리정제과정 없이 순도를 높일 수 있다. 이는 의료소재의 비용을 획기적으로 낮출 수 있어 질병진단 및 치료에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.
기존 리포좀 기반 약물전달방법에 활용돼 약물전달의 효율 및 활용도를 높일 수 있다. 예를 들어 나노소재에 레이저를 비출 때 발생하는 열로써 열에 약한 암세포를 사멸시키는 광열 치료에 활용돼 암치료의 효율성을 높일 수 있다. 아울러 나노분광기법을 이용해 암세포 및 조직을 보다 정확하게 영상화하는 차세대 조영제로도 활용할 수 있게 될 전망이다.
강태욱 교수는“이번 연구성과는 기존의 무기 나노입자를 차세대 바이오의료소재로 활용하기 위해 가장 큰 걸림돌인 생체독성의 문제를 해결하고, 아울러 의료소재의 비용을 높일 수 있는 별도의 분리정제과정 없이 순도를 높일 수 있는 기술을 개발한 것”이라며 “나노 인공세포는 향후 암과 같은 질병의 조기 진단 및 보다 정확한 치료에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.
이번 연구는 미래창조과학부․한국연구재단 기초연구사업(개인연구) 지원 등으로 수행됐으며, 연구결과는 국제적 학술지 사이언스(Science) 자매지인 사이언스 어드밴스(Science Advances) 12월 16일자에 게재됐다.