고려대 구자현 교수팀, 생분해성 무선 약물전달 플랫폼 개발
서울대-노스웨스턴대-일리노이대 연구진과 공동연구
한국인 의공학연구팀이 필요한 약물을 체내에서 전달 후, 스스로 녹아 사라지는 의료기기 플랫폼을 개발했다.
고려대학교(총장 정진택) 바이오의공학부 구자현 교수 연구팀은 서울대 강승균 교수, 노스웨스턴대 최연식 박사, 일리노이대 김성봉 박사와의 공동연구를 통해 체내에서 1~2주 동안 저용량 약물을 직접 전달하고, 사용이 끝난 후에 몸에서 수개월 동안 분해되어 사라지는 전자의료기기를 개발했다.
이번 연구는 국내 연구진의 주도하에 국제 저명 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF:13.116)’ 8월 28일자(*현지시간) 온라인에 게재됐다.
이번에 개발된 생분해성 약물전달 의료기기는 체내에서 삽입되어 무선으로 작동할 뿐만 아니라 사용이 종료된 후 몸속에서 녹아 흡수되기 때문에 별도의 제거 수술이 필요하지 않다. 특히, 반복적인 통증 치료나 주기적인 암치료에 사용될 수 있으며, 기존의 주사주입형 약물전달보다 저용량으로 필요 부위에 직접 전달함으로써, 약물 부작용을 최소화할 수 있고, 반복적인 약물치료 시 추가 수술 없이 약물전달이 가능하다. 또한, 치료가 끝난 뒤 임플란트된 의료기기 제거를 위한 2차 수술 역시 필요치 않아 수술로 인한 2차 위험성과 비용을 근본적으로 해결한 미래 의료기술이다.
연구진은 초박막형 실리콘과 유연성을 갖춘 생분해성 고분자를 개발하여 두께가 500 마이크로 수준으로 매우 얇고 유연성을 갖춘 약물전달 의료기기를 개발했으며, 체내에서 수개월 내에 안전하게 분해되도록 설계했다.
몸에 녹는 수술용 실이 대중화된 것처럼 생분해성 약물전달 의료기기 플랫폼을 통해 앞으로는 한번 임플란트 시술 후, 병원을 찾지 않고도 집에서 물리치료를 받듯 환자의 상태에 따라 필요할 때 소량의 약물을 직접 전달할 수 있는 시대를 기대할 수 있을 것으로 기대된다.
연구진은 생분해성 무선 약물전달 기술이 당뇨병, 통증 치료, 암치료 등에 응용이 가능할 것으로 예측한다. 구자현(고려대), 강승균(서울대) 교수는 세계 최초로 생분해성 전기치료 의료기기를 개발하여 2018년 Nature Medicine지(IF=36.130)에 논문을 게제한 뒤 약 2년 만에 약물전달 기술로서의 의료소자를 성공적으로 제시하며 생분해성 전자소자의 시장에서 한국이 중추적인 역할을 수행하기를 기대하고 있다.
최연식(노스웨스턴대), 김성봉(일리노이대) 박사는 세계 최초로 생분해성 약물전달 플랫폼 의료기기 효능을 함께 증명하여 생분해성 의료기기 연구분야에서 한국 연구자들의 역할이 더 커질 것으로 기대된다.
구자현 고려대 교수는 “생분해성 전자의료기술과 무선통신이 결합된 의료기기를 개발함으로써, 환자 맞춤형 약물전달 시대가 도래할 것”이라며 “특히, 기존의 약물사용량 대비 소량의 약물로 필요한 부위에 직접 전달하여 암치료 등에서 발생하는 약물 부작용 등을 최소화할 수 있고, 효과가 빠른 비대면 의료 원천기술을 개발했다는데 의의가 있다”고 설명했다.
이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업 기본연구(NRF-2020R1F1A1068083) 지원으로 이뤄졌다.
연구 개요
1. 연구 배경
1) 안전한 약물 직접 전달의 필요성
약물의 경구 투여나 주사형 방식은 질병 및 통증 치료를 위해 대량의 약물이 몸 전체에 퍼져 약물의 오남용이 문제가 되어 왔다. 알약을 이용한 경구 투여 방식은 몸속에 필요한 부위에 약 5%만 전달 되기 때문에 그 전달력을 높이기 위한 특정 바이러스 혹은 질병을 선택적으로 치료하는 약물 자체의 선택성을 높이는 연구개발이 주로 이루어져 왔다. 그러나, 약물을 안전하게 직접 전달하는 방식은 기술의 한계로 활발히 이뤄지지 못하고 있다. 약물을 직접 전달하는 방식이란, 체내 깊숙한 상처 부위나 암세포 등이 집중 분포하는 주요 부위에 약물을 직접 전달하는 방식으로 약 20% 이하로 약물 사용량을 줄일 수 있으며, 과한 약물투여 방식으로 인한 부작용을 최소화할 수 있는 새로운 방식의 의료기술이다.
2) 생분해성 무선 약물전달 의료기기의 필요성
기존의 약물전달 의료기기는 사용 후에 제거해야 하는 기술적 한계가 있었다. 본 연구에서 개발된 생분해성 무선 약물전달 의료기기는 최소침습수술이 가능하며, 사용 후에 체내에서 안전하게 흡수되어 사라지는 특징이 있다.
3) 기술적 특징
이번에 개발된 약물전달 의료기기는 전자소자를 비롯한 모든 구성요소가 생분해성 물질로 되어 있다. 일주일 정도 약물전달 후, 약 수개월 내에 체내에서 분해되어 재흡수되거나 몸 밖으로 배출되는 물질로 설계된 것이다. 이 기술의 가장 큰 특징은 두께가 100 나노수준의 초박막형 실리콘과 생체적합성이 뛰어난 금속물질을 활용하여 의료기기의 전체 두께가 500 마이크로 수준으로 매우 얇고 유연성을 갖추고 있음과 동시에 체내에서 빠르게 분해되어 사라진다는 점이다. 얇고 유연한 소자 덕분에 초소형 삽입수술이 가능할 뿐만 아니라 사용자가 원할 때 무선으로 작동가능하고 사용 후에 제거수술 또한 필요하지 않아 최소침습수술이 가능하다는 장점이 극대화되었다.
용어 설명
∘ 생분해성 물질 - 체내에서 분해되어 몸의 영양소로 흡수되거나 체외로 배출되어 몸에 잔존하지 않는 생체친화 물질.
∘ 실리콘 초박막 - 100 나노 수준의 매우 얇은 두께를 갖는 실리콘으로서 기존의 반도체 성질을 유지하면서도 두께가 매우 얇아 체내에서 수주에서 수개월내에 분해될 수 있는 물질로 활용성을 각광 받고 있음.
∘ 최소침습수술 - 수술과정에서 몸에 손상을 최소화하기 위한 기술적인 노력의 총칭. 수술 시 환부의 크기를 최소화하거나 수술 시 출혈의 최소화, 수술 횟수의 최소화, 수술 후 회복 시간의 단축 등 수술로 인해 발생하는 위험성과 불편함을 최소화하는 기술.
그림 설명
▲그림 1. 무선 약물전달 의료기기 개념도
▲그림 2. 무선 약물전달 의료기기 작동 사진 및 생분해 특성
▲그림 3. 쥐 모델에 적용된 생분해성 무선 멀티약물전달 의료기기 삽입 모식도 및 사진
사용자가 필요할 때, 같은 약물을 주기적으로 방출하거나, 여러 약물을 섞어서 사용할 때, 약물이 담긴 각 챔버를 독립적으로 조절하여 약물을 방출하는 멀티약물전달 의료기기 삽입 모식도임.
▲그림 4. 생분해성 무선 약물전달 의료기기를 다리신경에 적용하여 쥐 통증 모델에서 통증 경감효과 검증
통증 환자가 필요할 때, 무선통신으로 환자 스스로 통증제어 약물을 투여할 수 있음. 통증 부위에 약물을 직접 전달하기 때문에 기존 약물 사용량 대비 매우 소량으로 통증제어 가능함으로써 약물 오남용을 방지할 수 있는 효과적인 약물전달 방법을 제시함.
이력사항
구자현 교수
1. 인적사항
· 소속 : 고려대학교 바이오의공학부
2. 학력
· KAIST 원자력 및 양자공학과 학사 2010
· KAIST 원자력 및 양자공학과 석사 2012
· KAIST 신소재공학과 박사 2017
3. 경력사항
· 2008~2009 동경공업대학교 문부성 연구장학생
· 2015~2016 UIUC 교환연구
· 2017~2020 노스웨스턴대학교 박사후연구원
· 2020~현재 고려대학교 바이오의공학부 조교수
4. 주요 연구업적
· 생분해성 전자약 최초 개발 (2018년 Nature Medicine)
· 세계 우수 병원등과 동물/전임상 실험 등 공동연구 수행 (UCLA, 워싱턴 의대, 노스웨스턴 의대, 조지워싱턴 의대 등)
· 해외학술지 (SCI급 논문) 다수 집필 (Nature, Science 자매지 우수 저널에 게재)
강승균 교수
1. 인적사항
· 소속 : 서울대학교 재료공학과
2. 학력
· 서울대학교 재료공학 학사 2003 (우등, 조기졸업)
· 서울대학교 재료공학 박사 2012
3. 경력사항
· 2012~2012 서울대학교 박사후연구원
· 2012~2016 UIUC 재료공학부 박사후연구원
· 2016~2017 Northwestern University 박사후연구원
· 2017~2019 KAIST 바이오및뇌공학과 조교수
· 2019~현재 서울대학교 재료공학부 조교수
4. 주요 연구업적
· 생분해성 의료전자소자 최초 제작 (뇌압측정기 (Nature, 2016년) 신경재생 전자약 (Nature Medicine, 2018년)
· 소재 수명제어기술을 통한 첨단 보안 소자개발
· 해외학술지 (SCI급 논문) 50여 편 집필 (Nature, Nature Medicine, Nature Materials, Nature Biomedical Engineering 등 Nature지 및 자매지를 비롯한 우수 저널에 게재)
최연식 박사
1. 인적사항
· 소속 : 노스웨스턴대학교 재료공학과
2. 학력
· 연세대 신소재 공학과 학사 2009
· 연세대 신소재 공학과 석사 2011
· University of Cambridge 재료과학과 박사 2018
3. 경력사항
· 2011~2015 LG화학 연구원
· 2018~현재 노스웨스턴대학교 박사후연구원
4. 주요 연구업적
· 다수의 생분해성 고분자 및 연성 생분해성 디바이스 개발
· 세계 우수 병원등과 동물/전임상 실험 등 공동연구 수행 (UCLA, 워싱턴 의대, 노스웨스턴 의대, 조지워싱턴 의대 등)
· 해외학술지 (SCI급 논문) 다수 집필 (Nature, Science 자매지 우수 저널에 게재)
김성봉 박사
1. 인적사항
· 소속 : 일리노이대학교 (UIUC) 재료공학과
2. 학력
· 부경대학교 화학공학과 공학사 2008
· 고려대학교 화공생명공학과 공학박사 2014
3. 경력사항
· 2014-2016 고려대 화공생명공학과 연구교수
· 2016~2020 UIUC/노스웨스턴대 (Rogers group) 박사후연구원
· 2019~현재 UIUC (Braun group) 박사후연구원
4. 주요 연구업적
· Soft-microfluidics 및 micro-electronics를 이용한 피부 위에 부착가능한 skin-interfaced biosensors 개발 및 상용화
· 생분해성 transient 약물전달 시스템 개발
· LiCoO2 cathode 및 마이크로 로보틱스, MEMS에 대응하는 고전압 마이크로 밧데리 연구개발 (1929 Wh/L, 455 Wh/Kg energy densities 달성)
· 3차원 전극 구조 개발 및 생체이식 가능한 마그네슘 밧데리 연구개발
