자기장을 이용한 능동형 약물 전달로 암세포의 효율적 치료 가능
능동 암치료용 복합구동 대식세포기반 마이크로로봇(Hybrid-Actuating Macrophage-Based Microrobots for Active Cancer Therapy)
국내 연구진이 고형암* 추적과 치료가 동시에 가능한 면역세포 중 하나인 대식세포**기반의 의료용 마이크로로봇을 세계 최초로 개발했다.
* 고형암 : 고형장기에 발생하는 암. 대장암, 유방암, 위암, 간암, 췌장암 등이 있다.
** 대식세포(Macrophage) : 면역세포의 일종으로 동물 체 내 모든 조직에 분포하여 면역을 담당하는 세포. 세포 내 침입한 세균 등을 잡아 소화한다. 직경은 대략 20μm.
한국연구재단은 미래부 미래유망융합기술 파이오니어사업의 지원을 받은 박석호 교수(전남대) 연구팀이 항암제가 탑재된 대식세포의 구동 제어가 가능하여 고형암을 추적․치료할 수 있는, 직경 대략 20μm의 의료용 마이크로 로봇을 개발하였다고 밝혔다.
본 연구결과는 세계 3대 학술지 Nature의 자매지인 ‘사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)’에 6월 27일자로 게재되었다.
그 동안의 고형암 치료는 종양조직에 보다 오래 잔류하는 특성을 지닌 나노파티클(이하 NPs)*을 사용한 약물 전달체를 혈관에 침투시켜 종양조직을 사멸시키는 방법을 사용하였다.
* 나노파티클(NPs) : 항암제 전달을 위해 생체 적합한 폴리머 등으로 항암제를 코팅한 나노 구조체.
그러나 혈관만을 따라 약물 전달이 가능한 NPs로는 능동적이고 효율적인 전달이 어려웠다. 종양은 성장 속도가 빠른 암세포의 특성에 의해 급속도로 커진다. 그러나 혈관 형성 속도는 그를 따라가지 못하여, 종양 조직 내 혈관은 일반 혈관과 달리 비정상적이고 불규칙적으로 형성된다. 게다가 약물 전달의 주요 표적인 종양 중심부에는 혈관이 미처 형성되지 못한다.
또한 NPs의 크기를 효율적으로 구사하기가 어려웠다. 크기가 너무 작으면 신장, 간 등에 의해 체외로 배출되고, 너무 크면 백혈구, NK(Natural killer) 세포* 등에 의해 제거되기 때문이다.
* NK 세포 : 자연살해 세포, 대식세포와 마찬가지로 외부 병원체 등의 침입 시 이물로 인식하여 싸워 죽이는 역할을 한다.
면역세포를 이용한 항암 치료는 현재 사용되는 항암 요법 중 가장 안전한 방법으로 알려져 있다. 질병 발생 이전에 분리, 저장된 건강한 면역세포를 암 발생 시 투여하거나 암 특이 항원으로 이용하는 것이다.
그러나 위 방법도 면역세포의 활성화에 의존하는 수동적 방법으로 치료과정 상의 초과 시간 및 비용 발생, 항원 다양화에 따른 표적 항원 선택의 어려움 등의 한계가 있었다.
이에 박석호 교수팀은 동물 유래의 대식세포를 기반으로 한 마이크로 로봇을 개발하여 기존의 NPs를 이용한 약물전달 체계와 면역 세포의 한정적인 치료 방식을 극복하였다.
마이크로로봇은 산화철(Fe3O4) 탑재로 외부 자기장에 의해 능동적으로 종양 주변부까지 표적이 가능하고, 자체 암 지향성을 지닌 대식세포를 기반으로 했기 때문에 종양 중심부를 표적할 수 있다.
따라서 항암제를 탑재한 대식세포 기반 마이크로로봇은 항암제의 효율적 도달과 대식세포의 초기면역반응*에 의해 보다 효과적인 암 치료가 가능하다.
* 초기 면역 반응 : 외부 이물 침입 시, 가장 초기반응으로 백혈구나 대식세포 등에 의한 식균작용과 사이토카인 분비 등에 의한 항암에 관한 면역반응
또한 대식세포를 약물 전달체로 이용하기 때문에, 기존의 면역세포의 치료 과정 중에 발생하는 저장, 활성화, 암 항원에 의한 표적화 등의 추가적인 과정이 필요하지 않아 효율적이다.
위 로봇은 생체 내 종양환경과 유사하게 제작된 마이크로 칩을 이용하였다. 이는 박석호 교수팀이 2013년 12월에 발표한 박테리오봇에 이은 인체 친화적인 면역세포 기반의 로봇이다.
박석호 교수는 “면역세포를 이용한 마이크로 로봇 연구는 향후 세계적 의료용 로봇의 주된 연구방향 중의 한 줄기가 될 것”이라며, “면역세포를 이용한 방식은 인체에 거부반응이 없기에 향후 자기장 구동기술과 결합되어 더욱 진보한 항암 치료제 기술로 활용될 것으로 기대된다.” 며 연구의 의의를 밝혔다.
논문의 주요 내용
. 논문명, 저자정보
- 논문명 : 능동 암치료용 복합구동 대식세포기반 마이크로로봇(Hybrid-Actuating Macrophage-Based Microrobots for Active Cancer Therapy)
- 저자 정보 : 한지원(전남대 기계공학과), 김진(전남대 기계공학과), 누엔 반 두(전남대 기계공학과), 고광준(전남대 기계공학과), 최영진(전남대 기계공학과), 고성영(전남대 기계공학과), 박종오(전남대 기계공학과), 박석호(전남대 기계공학과)
논문의 주요 내용
종양조직 내 침윤하는 대식세포의 특성을 응용, 능동적 암 추적 및 치료가 가능한 약물전달체 개발에 관한 연구로써, 마우스 유래 대식세포주에 외부 자기장에 의해 자화가 가능한 MNP와 항암제를 탑재하여 능동적인 이동과 치료효능을 가진 마이크로로봇을 제작하였다. 제작된 대식세포 기반 마이크로로봇은 외부자기장과 대식세포의 특성에 의해 암세포에 대한 하이브리드 정밀 타겟팅 성능을 보였으며 탑재된 항암제와 대식세포의 초기면역 반응에 의한 항암작용을 보였다.
1. 연구의 필요성
암치료를 위한 NPs에 의한 약물전달체 개발, 면역세포의 이용 등 다양한 연구가 이루어지고 있으나 각각의 한계점들이 보여지고 있다.
생체 적용 시 가장 안전하고 종양부위에 정확히, 충분하게 전달될 수 있는 약물전달체 개발이 요구되고 있다.
2. 발견 원리
약물과 폴리머만으로 구성된 NPs는 혈관이 형성된 종양조직의 겉면에만 축적되어 있으나 혈관 또는 림프관 등을 따라 이동이 가능한 면역 세포는 종양 중심부까지 침투가 가능한 점을 응용하였다.
대식세포 내 탐재된 MNP와 약물이 다시 밖으로 방출되기 전에 대식세포기반 마이크로 로봇을 외부 자기장을 이용 종양조직부위에 타겟팅한후 대식세포 기능에 의한 암조직 내 침윤과 약물 방출을 유도한다.
3. 연구 성과
체외에서 추가적인 세포 활성화 작업 없이 화학요법과 면역치료가 동시에 가능한 면역세포 기반 마이크로로봇을 구축하게 되었다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
항암제의 치료 효능을 높이기 위해 EPR (Enhanced Permeability and Retention) 효과에 의존하는 NPs가 많이 연구 중이나 능동적인 이동성능이 없어 혈관을 통한 수동적 전달만이 가능해, 혈관 형성이 없는 종양 내부까지는 전달이 되지 않는 한계를 가지고 있어 암치료 시 한계점을 보인다.
또한 NPs의 크기에 따른 약물 담지양이 달라지거나, 생체 적용 시 암조직 내 도달 전에 간, 신장 등을 통해 체외 배출되거나 또는 불필요한 면역 반응 유발 가능성 등의 부작용을 나타낼 수 있다.
암치료 방법 중 가장 생체 적합한 치료법으로 알려진 세포치료는 다양한 면역세포를 이용하여 세계적으로 사용되고 있으나 대부분의 경우 면역세포 자체의 면역작용에 의존하며 수동적으로 전달되는 방식이며 이 또한 화학요법등과 병행하여 실시되고 있다.
2. 연구내용
마우스 유래의 대식세포주에 항암제와 MNP가 탑재된 형태의 마이크로로봇을 제작하여 외부 자기장과 대식세포특성에 의한 하이브리드 구동력과 탑재된 항암제와 대식세포의 초기 면역작용에 의한 항암효능을 암세포주와 암조직 모사를 이용해 검증하였다.
3. 기대효과
기존의 NPs에 의한 수동적 약물전달방법에서 능동적 구동을 통해 약물을 혈관이 생성되어 있지 않은 병변부위까지 전달이 가능함에 따라 항암제의 치료효능 향상과 부작용을 최소화 할 수 있다.
면역세포인 대식세포를 약물전달체로 이용함에 따라 추가적인 세포의 저장 보관, 활성화 유도, 암 항원에 의한 표적화 등의 추가 과정이 필요하지 않아 치료를 위한 시간과 비용을 절감할 수 있다.
세포치료와 약물치료의 병행에 의한 복합치료가 아닌 약물을 담지한 면역세포를 이용한 신개념의 화학/면역 동시 치료에 의한 가장 발전된 암치료법으로써 암치료 분야에서 경쟁력을 선점할 것으로 기대된다.
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
NPs를 이용한 암치료는 크기가 작아 많은 양의 항암제와 MNP를 담지하기 힘들어 외부구동 또는 항암작용에 충분하지 못했다. 그리고 암치료법은 기존의 화학 또는 방사선 요법에서 점점 생체에 안전한 항체나 면역세포를 응용한 면역치료법으로 향하고 있었다. 그러나 이 방법은 안전한 대신 많은 비용을 요구하므로 현재까지 일반 대중들에게 쉽게 적용되기 어렵다고 생각되어 면역치료법과 같이 안전하지만 많은 비용이 요구되지 않는 세포치료법을 개발하고자 연구를 시작하였다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
대식세포 활성에 영향 없이 외부구동이 가능한 양의 MNP와 충분한 양의 항암제를 NPs로 제작하여 대식세포의 식균작용을 통해 마우스 유래 대식세포에 탑재하여 마이크로로봇을 제작하였다. 제작된 면역세포 기반 마이크로로봇은 실험실내에서 암세포 또는 종양 종괴 유사 모델을 통해 능동적 구동성능(전자기구동과 면역세포구동)과 치료성능(항암제치료와 면역세포치료)이 검증되었다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
대식세포 내 탑재를 위해서 항암제/MNP담지 NPs는 적당한 크기와 구조적인 안정성을 확보하는 것이 필수적이다. 대식세포에 충분한 양의 NPs가 탑재되어야 하나, 종양조직내로 타겟팅 되기 전에 대식세포에 특성에 영향을 주거나 대식세포의 밖으로 방출된다면 면역세포 기반 마이크로로봇이 가지는 항암효능이 저하된다. 관련된 정보가 많지 않아, 본 연구실에서 다양한 크기와 다양한 재료를 이용, NPs를 제작하여 반복 실험을 통해 가장 적절한 크기와 안정적 구조의 NPs가 탑재된 대식세포 기반 마이크로로봇 제작방법을 구축하였다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
NPs의 한계인 수동전달, 혈관 의존성을 극복하였고, 많은 비용과 시간이 요구되는 세포치료의 한계를 극복한 가장 안정적이고 효율적인 화학/면역치료 동시요법이다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
본 연구결과를 토대로 생체 적용 가능한 면역세포 기반 마이크로로봇의 제작과 동물실험을 통한 상용화의 가능성을 확인하고자 한다. 더 나아가서는 가능하다면 실제 임상 검증을 통해 새로운 암치료법으로 발전시키고자 하는 목표를 가지고 있다.
□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
대식세포는 암세포에 대해 항상 독성을 보이지는 않는다. 암이 진행될수록 오히려 암세포의 성장을 돕거나 전이를 촉진시키는 등의 반대 작용을 나타낸다. 그런 이유로 많은 연구자들은 대식세포에 의한 암치료에 대해 이견이 많다. 그래서 본 연구에서도 대식세포를 이용한 암치료 방식에 대한 접근이 조심스럽고 어려웠지만 결과적으로 대식세포의 초기면역 반응에 의한 항암작용이 있음을 확인하였다. 따라서 본 실험을 위해 매 실험시마다 대식세포의 상태나 암세포에 처리하는 세포 개수의 조절, 그리고 MNP/항암제 탑재에 따른 대식세포의 상태 변화 확인 등은 필수적이었다.
용 어 설 명
1. 대식세포
면역세포의 일종으로, 말초 혈액 뿐 아니라 골수, 간, 폐, 장 등 대부분 장기 내에 존재하며 외부 병원체 등의 침입 시 가장 먼저 방어 작용에 동원된다.
2. 복합구동
대식세포에 탑재된 MNP가 외부 자기장에 의해 자성을 띄게 되어 능동적으로 암조직을 타겟팅하게 되고, 대식세포의 암지향 작용에 의해 암조직내로 침윤된다.
3. 초기 면역 반응
○ 외부 이물 또는 병원체 등의 침입 시, 백혈구나 대식세포등에 가장 초기 면역 반응으로 자체적인 식균작용과 면역반응 확장을 위한 사이토카인 분비 등에 의한 항암에 관한 면역반응이다.
그 림 설 명
그림 1. MNP와 항암제가 담지된 NPs 탑재된 대식세포기반 마이크로로봇은 외부 자기장에 의해 혈관을 따라 종양발생부위로 타겟팅된 후, 면역세포의 특성에 의해 혈관내피세포 간극을 통과해 고형암 발생부위로 침윤되어 탑재된 항암제와 대식세포의 초기 면역 작용에 의해 암조직에 대한 치료능을 나타낸다.
그림 2. 제작된 대식세포기반 마이크로로봇 내 자성체와 항암제 탑재를 형관 이미징을 이용해 확인했다(좌). 외부 자기장에 의한 대식세포기반 마이크로로봇의 암조직 타겟팅(우; a-f) 과 시간에 따른 대식세포의 암 침윤 특성에 의한 암조직내 침투(우; g-i)를 검증 하였다.
그림 3. 항암제가 탑재된 대식세포기반 마이크로로봇은 대식세포 또는 자성체만 탑재된 대식세포에 비해 월등한 암세포 사멸효능을 보이고 있다.
