ACS　Nano誌 게재, 표적형 치료제 전달 및 부작용 최소화 기대

미래창조과학부(장관 최양희)와 국제과학비즈니스벨트 핵심 기관인 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)은 복잡계 자기조립 연구단(단장 김기문)의 김원종 그룹리더(포스텍 화학과 교수) 연구팀이 암세포를 만났을 때만 약물 및 유전자를 전달하고 치료 효과도 획기적으로 높일 수 있는 원리를 규명하는데 성공했다고 밝혔다.

연구진은 세포 내 pH(수소이온 농도지수)를 감응하여 지능적으로 치료제와 유전자를 전달할 수 있는 나노입자 DNA 구조체를 개발하고, 암세포에 항암제 전달 및 약재 내성 억제를 통해 항암치료 효과를 획기적으로 향상시킬 수 있는 원리를 밝혀냈다.

이를 활용하면 나노입자의 불명확한 전달의 한계를 극복하고 암 세포 부위에만 찾아가 약물 및 약재 내성 억제 유전자를 방출시켜 질병세포의 사멸을 유도할 수 있다. 앞으로 나노입자를 이용한 의약학, 보건의료, 암치료 등 다양한 분야에 적용될 것으로 기대를 모으고 있다.

연구진은 금 나노입자에 pH 감응형 DNA(이하 i-motif DNA)와 상보적 결합을 하는 DNA, 치료 유전자인 안티센스 DNA(antisense DNA)를 붙여 조건에 따라 거동을 조절하는 지능적인 DNA 나노머신을 개발하였다.

i-motif DNA가 낮은 pH 조건에서 모양을 변형하여 분리되는 성질을 가지는 점에 착안하여 i-motif DNA에 상보적 서열이 접합된 나노입자의 군집을 만들고, 세포사멸을 유도하는 핵산(antisense DNA)을 금 나노입자의 표면에 붙였다.

이런 금 나노입자는 세포 밖의 중성 pH에서는 DNA의 상보적 결합에 의해 나노입자 군집을 만들다가, 세포 안으로 들어가면 세포 내 엔도솜(endosome)의 낮은 pH에 감응하여 서로 흩어지면서 내부에 담지한 약물을 전달한다는 사실을 규명하였다. 또, 금 나노입자가 서로 흩어지며 접합된 안티센스 DNA가 약물에 내성을 보이는 유전자의 발현을 억제한다는 사실을 확인했다.

이는 정상세포까지 공격하여 문제됐던 기존 방식과 달리 특정 크기로 조절 가능한 나노입자의 군집을 만들어 암세포에만 특이적으로 축적이 되고 암세포 내부에서 특정 자극에 의해서만 흩어지고 약물 및 유전자를 방출하기 때문에 암 치료시 부작용을 낮출 수 있다.

이번 성과는 미국화학회가 발간하는 나노분야의 세계적 권위저널 에이씨에스 나노誌(ACS Nano, IF 12.033, JCR 상위 5.33%) 최근 온라인에 논문을 게재하였다.

* (논문제목) 암세포를 표적하며, 크기 조절이 가능한 군집화된 나노입자를 이용한 항암치료의 응용(Tumor-Homing, Size-Tunable Clustered Nanoparticles for Anticancer Therapeutics)

 * (제1저자) IBS 복잡계 자기조립 연구단 

 * (교신저자) IBS 복잡계 자기조립 연구단 김원종 그룹리더

김원종 IBS 복잡계 자기조립 연구단 그룹리더는 이번 성과를 “암세포만 표적으로 축적이 되는 나노입자 군집을 이용하여 부작용은 낮추고 항암 효과는 획기적으로 높일 수 있는 중요한 기초기술”이라며 “앞으로 나노입자를 이용한 항암 치료의 근본적인 문제를 해결하고 실제 항암 치료에도 적용 가능할 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

연 구 결 과 개 요

1. 연구배경

현재까지 DNA는 유전정보의 저장 물질 및 약물로 주목받아왔음. 또한 높은 생체적합성과 주변 환경에 대한 안정성 및 단순한 4개의 염기들의 상호작용으로 예측 가능하며 프로그래밍화 할 수 있는 능력을 인정받아 뛰어난 생체재료의 하나로 가치가 재조명 되고 있음.

이러한 DNA를 이용하여 개발된 DNA 구조체는 상보적인 핵산끼리의 서열특이적 상호작용에 의하여 자기조립(self-assembly)된 나노단위의 구조체로써, 염기 서열을 조절함으로 주변 환경(pH, 온도 및 빛)의 변화에 의해 구조변환을 유도하여 역동적인 움직임을 유발할 수 있음.

하지만 기존에 DNA가 접합된 나노입자는 많은 연구가 되었지만, 혈관을 따라 주입하였을 때 비특이적 축적이 많아 독성을 유발할 수 있다는 문제점이 꾸준히 제기되었음.

따라서 본 연구에서는 DNA가 접합된 나노입자를 DNA 상보 서열로 군집화 시켜 암세포만 표적으로 전달하는 크기로 조절하고, 세포 내부에서 pH 의 자극에 따라 분리되며 약물 및 유전자를 방출시켜 그 효과를 극대화 하여, 앞으로 나노입자를 이용한 항암치료에 근본적인 접근으로 적용하고자 하였음.

2. 연구내용

i-motif DNA가 낮은 pH 조건에서 모양을 변형하여 분리되는 성질을 가진다는 점에 착안하여, i-motif DNA에 상보적 서열이 접합된 나노입자의 군집을 만들고, 세포사멸을 유도하는 안티센스 DNA(antisense DNA)라는 핵산을 금 나노입자의 표면에 붙였다.

금 나노입자는 세포 밖의 중성 pH에서는 약물을 담지한 채로 군집화 되어 있다가, 세포 내부로 유입이 되면 엔도솜에서 pH가 낮아지며 하나하나의 나노입자로 흩어지며 약물 및 약재 내성 억제 유전자를 방출하여 세포사멸을 유도한다.

금 나노입자가 서로 조립하여 특정 크기를 가지는 군집을 형성하게 되면, 정상세포로의 유입이 힘들어 지고, EPR 효과에 의해 암세포만 특이적으로 축적이 되어 부작용을 줄이고 암세포 내부에서만 약물 및 유전자를 방출하여 기존 약물보다 높은 항암효과를 보임을 밝혔다.

3. 기대효과

본 연구에서는 암세포만 표적으로 축적이 되는 나노입자 군집을 이용하여, 낮은 부작용으로 항암제 및 유전자 전달로 인한 세포사멸의 유도로 항암 효과를 획기적으로 높여, 앞으로 나노입자를 이용한 항암 치료의 근본적인 문제를 해결하고 실제 항암 치료의 적용이 가능할 것으로 기대된다.

본 연구는 약물 전달체로서의 DNA가 접합된 나노입자의 응용연구를 한 단계 진보시키는 역할을 수행하였으며, 이를 바탕으로 앞으로 다양한 응용연구가 지속적으로 이루어질 것으로 기대된다.

본 연구결과는 비 특이적 전달의 한계를 극복하고 암 세포 부위에 특정적으로 찾아가 약물 및 약재 내성 억제 유전자를 방출시켜 질병세포 사멸을 유도할 수 있어 앞으로 나노입자를 이용한 의약학, 보건의료, 암치료 등 다양한 분야에 적용될 것으로 기대된다.

연 구 결 과 문 답

이번 성과 뭐가 다른가		기존 DNA 기반의 연구는 비특이적 세포유입으로 인해 실제 임상에서의 적용에서 많은 한계를 보였다. 그러나 본 연구의 경우 단순히 DNA의 상보적 결합을 이용하여 부작용을 줄일 수 있는 크기로 작은 입자들의 군집을 만들 수 있고 실제 임상에 적용할 수 있는 DNA 기반의 나노입자로 이를 약물전달에 응용하였다.
어디에 쓸 수 있나		차세대 높은 효율을 보이는 항암제로 사용이 가능할 것이다.
실용화까지 필요한 시간은		짧게는 수년에서 길게는 수십년의 시간이 더 필요할 것으로 생각된다.
실용화를 위한 과제는		나노입자와 DNA가 현재 가격이 높기 때문에 주형이 되는 물질들의 가격을 낮출 수 있는 공정의 개발이 필요하다.
연구를 시작한 계기는		DNA 상보적 결합이 세포 내 자극에 따라 자유자재로 변화하면서 약물 전달체로 사용될 수 있음을 예상하였고, 이를 토대로 이를 나노입자에 응용하여 크기를 조절하여 기존 나노입자를 기반으로 한 생의학적 응용에서의 한계로 지적되었던 암세포 특이적으로 전달할 수 있는 나노입자의 군집체를 만들어 높은 효율을 보일 것이라 생각하였다.
에피소드가 있다면		DNA를 금 나노입자에 섞을 때 군집화를 위해서는 온도가 매우 중요한데, 이를 처음에 조절하기가 많이 힘들어서 이 부분에서 많은 노력을 하였다.
꼭 이루고 싶은 목표는		단순히 연구실 단계에서만 그치지 않고, 상용화가 가능하여 실제 암과 같은 치료하기 어려운 질병치료에 큰 도움이 될 수 있는 물질을 개발하고 싶다.
신진연구자를 위한 한마디		어려워서 포기하려 하는 순간이 여러 번 있지만, 그 순간을 넘기면 기대했던 결과가 나오는 순간이 반드시 올 것이다.

용 어 설 명

1. 약재 내성

유전적, 혹은 환경적으로 약물에 노출이 되었을 때 그 약물에 대항할 수 있는 신호 전달 체계를 활성화 시켜 약물에 의한 효과를 떨어트리는 효과로, 암세포는 약물로부터 세포사멸을 유도하지 않게 하기 위해 많은 약재 내성 경로를 가지고 있다.

2. i-motif DNA

I-motif DNA는 반복된 시토신(cytosine, C)을 지니는 DNA 서열로써, 낮은 pH 하에서 C-C+ 구조를 형성하면서 (그림1)과 같이 독특한 사면체 입체구조를 형성한다.

3. 상보적 결합

DNA는 단순한 4개의 염기끼리 핵산끼리의 서열특이적 상호작용에 의해 결합할 수 있다. 아데닌(adenine, A)은 티아민(thymine, T)과, 구아닌(guanine, G)은 시토신(cytosine, C)와 서로 결합을 하는 성질을 가지는데, 이를 DNA 염기들간의 상보적 결합이라 한다.

4. 안티센스 DNA(antisense DNA)

안티센스 DNA는 특정 단백질의 생산을 억제함으로써 유전자 발현을 방해한다. 약 20개의 뉴클레오티드로 구성된 안티센스 DNA는 특정 전령 RNA(mRNA, messenger RNA)의 상보적인 순서에 맞춰 염기쌍을 형성한다. 그 다음 이러한 안티센스 DNA 세포로부터 전령 RNA를 제거하거나 단백질 발현을 억제한다.

5. 엔도솜(Endosome)

물질의 세포 내 유입과정에서 형성되는 주머니 모양의 구조물(소포). 세포 내 유입 초기(수분 이내)의 것을 초기 엔도솜, 후기의 것을 후기 엔도솜이라고 한다.

6. EPR 효과(Enhanced Permeaility and Retention effect)

암세포는 빠른 세포 분열로 인한 신생혈관형성(angiogenesis)이 활발하며, 이로 인해 정상 세포보다 혈관벽이 느슨하게 형성된다. 이로 인해 특정 나노 크기를 가지는 입자는 정상세포 혈관은 들어가지 못하고 암세포에만 특이적으로 축적이 된다.

그 림 설 명

(그림1) 낮은 pH 하에서 생성되는 C-C+ 결합(왼쪽) 및 이에 의해 유도되는 독특한 i-motif DNA 사면체 입체구조(오른쪽).

(그림2) 군집화된 DNA가 접합된 금 나노입자의 암세포 특이적 유입.

작은 크기의 하나의 DNA-금 나노입자는 비특이적으로 정상세포에도 유입이 될 수 있지만 군집화된 DNA-금 나노입자는 느슨하게 형성된 암 세포에만 유입이 되어 특이적으로 축적될 수 있다.

(그림3) DNA-금 나노입자의 세포내부로 유입 후 작용 기작. i-motif DNA로 군집화 된 나노입자는 중성 pH 에서는 약물을 담지하고 있다가 낮은 pH에서 선택적으로 약물을 방출할 수 있다. 세포 내부에서 유입 된 후 엔도솜 내 pH가 낮아지며 약물을 방출하고, antisense DNA 를 노출하며 약재내성 유전자의 발현을 억제하고 동시에 약물을 방출하여 상승 효과로 인해 높은 세포사멸을 유도할 수 있다.