[신진연구자 컬럼] 테라그노시스용 나오메디컬 소재 개발

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서론

최근 의학분야에서는 질병의 질단(diagnosis) 및 치료 (therapy)를 동시에 수행할 수 있는 나노메디컬시스템 (nanomedical system)에 대한 연구가 전 세계적으로 활 발하게 진행되고 있다. 질병의 진단분야에 있어서는 단순 한 병변에 대한 분석보다는 조기진단의 신뢰도 향상에 대 한 필요성이 대두되고 있어, 나노기술이 바이오 및 의료 기술과 접목된 다양한 나노메디슨(nanomedicine) 분야 가 개발되고 있다. 질병의 치료분야에서는 현재까지 개발 된 다양한 합성약물 및 바이오의약품(단백질, 핵산, 세포 등)을 질병부위에 선택적으로 전달함으로써, 부작용을 최 소화할 수 있는 맞춤형 전달시스템에 대한 기술개발이 활 발하게 진행되고 있다. 그리고, 더 나아가서는 질병의 진 단과 치료, 또는 치료 후의 상태를 계속적으로 모니터링 할 수 있는 다기능성 나노메디컬 시스템에 대한 분야도 전 세계적인 관심의 대상이 되고 있다. 이러한 추세에 맞 추어 질병의 진단 및 치료를 동시에 수행한다는 의미에서

“테라그노시스[Theragnosis(Therapy+Diagnosis)]”라 는 신조어까지 출현하였다. 나노메디슨 분야는 의학, 유전 학, 분자생물학, 세포학, 약학 등의 전통적인 바이오메디 컬 분야에 화학, 물리 및 다양한 공학적 기술이 결합된 대 표적인 융합기술(convergence technology)분야이다. 이 러한 나노메디슨 분야의 핵심기술은 질병의 조기진단 및 표적지향적 치료를 가능하게 해주는 나노바이오소재 개 발 분야이다. 본 원고에서는 질병의 진단과 관련된 분자 영상 기능 및 질병의 치료와 관련된 기능을 수행할 수 있 는 나노바이오소재 연구분야를 필자의 연구를 중심으로 살펴보고자 한다. 사실, 나노메디컬소재에 대한 연구주제 및 내용도 매우 광범위하여, 본 원고에서 모든 내용을 다 루지 못하지 못함을 아쉽게 생각한다.

다중모드 분자영상을 위한 나노메디컬 소재

분자영상(Molecular Imaging)은 최근 급속히 발전 하고 있는 분야로, 세포 내에서 일어나는 여러 분자수준 의 변화를 영상화하는 기법으로 첨단영상기술과 분자세 포생물학이 접목된 분야이며 의학, 유전학, 분자생물학,

테라그노시스용 나노메디컬 소재 개발

1996 서강대학교 화학공학과 공학사 2002 KAIST 생명화학공학과 공학박사 2003 Harvard Medical School 박사후 연구원 2003 한국전자통신연구원(ETRI) 선임연구원 2004 한국생명공학연구원(KRIBB) 선임연구원 현 재 충남대학교 분석과학기술대학원 부교수

임 용 택

충남대학교 분석과학기술대학원

[email protected]

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세포학, 화학, 약학, 물리학, 의공학, 영상의학, 핵의 학 등의 융합으로 발달하고 있다. 생체분자영상이 중요한 이유는 연구하고자 하는 생체 대상이 살아 있는 상태에서 세포 또는 분자 수준에서 일어나는 현상들을 영상을 통하여 직접 확인할 수 있도록 해 주며 그러한 현상들을 정량화하여 분석할 수 있도 록 해준다는 것이다. 현재 임상적으로 사용되는 분 자영상 방법과 그 민감도를 향상시키기 위해서 연 구되고 있는 나노메디컬 소재는 [그림 1]과 같다.

분자영상방법은 X선, 초음파, 컴퓨터 단층촬영 (CT), 자기공명영상(MRI), 핵의학영상(PET, SPECT) 등이 있는데, 광학영상 방법은 예민도 (sensitivity)가 가장 좋아서, 분자생물학 분야에서 오래전부터 사용되어 왔고, 방사선을 사용하기 않 고 빠르게 영상화가 가능한 장점 때문에, 임상에 적 용할 수 있는 시스템이 활발히 개발중에 있다. 핵의 학 영상의 경우 예민도도 높고 단층촬영

영상도 얻으나 해상력이 떨어지고 방사 능 사용에 따른 법적 제한을 받는다는 단점이 있다. 이에 비해 자기공명영상의 경우 해상도는 좋으나, 민감도가 떨어진 다는 단점이 있다. 최근에는 이들 영상방 법을 결합(광학영상+핵의학영상, 광학 영상+MR영상, 핵의학영상+MR영상 등)하여 서로의 단점을 보완하려는 연구 가 활발하게 진행 중이다.

테라그노시스용 나노메디컬 소재 개발

분자영상관련 나노바이오소재는 의료분야 중에서 질병의 진단분야와 관계가 깊다. 질병 치료를 위한 나노메디슨 기술은 기존의 항암제가 갖는 부작용을 최소화하면서, 환자를 완치하거나 또는 환자 삶의 질을 향상시키는 것을 목적으로 하고 있다. 이러한 개념을 실현하기 위해서는, 질병부위에만 치료용 약물 이 전달되고 그 효과를 발휘할 수 있도록 고안된 표적 지향적 약물전달체(targeted drug delivery system) 개발이 핵심기술이다. 즉 치료용 약물 및 바이오의 약품(drugs, DNA, siRNA, petides, proteins, cells 등)이 특정 질병부위에만 선택적으로 전달되도록 하 는 표적지향형 리간드(antibody, aptamer, folic acid, peptides 등)가 부착된 약물전달시스템(polymers, liposomes, micells, inorganic NPs 등) 개발이 선행 되어야 한다. 그리고 미래의학에서 요구되는 테라그 노시스용 나노메디컬 소재는, 앞서서 언급했던 질병 진단을 위한 분자영상용 나노소재와 이러한 표적지 향적 치료를 위한 전달시스템이 융합된 다기능성 나 노구조체이다[그림 2].

1) 세포기반 나노메디컬 소재 : 면역세포 분자영상을 위한 나노바이오소재

테라그노시용 나노메디컬 소재의 첫번째 예로, 항 암치료에 사용되고 있는 면역세포를 생체 내에서 추 적하는 분자영상기술과 관련된 나노바이오소재에

그림 1. 분자영상기법 및 나노메디컬소재.

그림 2. 분자영상 및 치료기능을 동시에 갖는 다기능성 나노메디컬

소재 개념도.

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대하여 설명하고자 한다. 이 개념에서는 면역세포가 치료용 바이오의약품이 되며, 이러한 치료용 면역세 포를 추적하기 위해 사용되는 나노조영제가 분자영 상용 나노바이오소재에 해당된다. 대표적인 항암면 역세포로는 수지상세포(dendritic cell), T세포, 자연 살해세포(natural killer cell, NK cell)가 있다. 항암 세포치료를 위해 주입된 수지상세포는 가장 가까운 림프절로 이동하여 T 세포와 NK 세포 등 항암면역 세포를 활성화하여 이 세포들이 암을 파괴하도록 하 는 항암치료제로서의 기능을 수행한다. 수지상세포 에 의한 항암치료는 환자의 말초혈액으로부터 수지 상세포의 전구세포를 분리하여 수지상세포로 분화 시킨 후 암항원으로 활성화시켜 다시 환자에게 투여 하는 방법이다[그림 3]. 현재 세계적으로 임상시험 이 진행되고 있는 수지상세포 암 치료제는 흑색암 27종, 신세포암 7종, 전립선암 5종 등 모두 70여 종 에 이르는 것으로 추산되고 있다. 그러나, 환자의 상 태나 암의 종류에 따른 최적화된 투여경로, 투여량 그리고 투여횟수 및 시기 등 수지상세포의 활성화 요소가 표준화되어 있지 않다. 따라서, 수지상세포가 림프절로 이동하는 과정의 추적 영상법을 이용하여 수지상세포의 세포치료 과정을 모니터링하는 것이 중요하다. 이러한 면역 세포 추적 영상법을 통해 (1) 주입된 후 몸 안에서 면역 세포의 이동을 영상화 및, 정량할 수 있고 (2) 표적 조직에서 투여된 면역 세 포의 수에 비하여 유지된 세포의 수를 측정할 수 있 으며 (3) 이미징 조영제의 세포내 전달 기술의 향상 을 도와주며 (4) 표적 지점에서 다른 종류의 세포들 의 비교를 가능하게 하고 (5) 효과적인 세포치료를 위한 새로운 기술의 개발에 중요한 기능을 담당한다.

이상적인 세포 추적 기술은 영상화와 정량화를 동시 에 할 수 있는 다기능적이어야 하며, 민감도가 높아 야 하고, matrix effect가 나타나지 않으며, 오랜 시 간 세포 라벨링이 되며, 독성이 없고, 어떠한 면역세 포든지 높은 효율과 다양한 표지가 가능해야할 필요 성이 있다.

최근 자기공명영상기법(MRI)을 이용한 연구에서 는 산화철 나노 입자를 표적에 접착시킨 줄기세포 이동, 세포 추적 등의 활발한 연구가 이루어지고 있 는데, 이는 해상도가 우수한 MRI로 세포를 추적 영 상할 수 있다는 점과 산화철 나노 입자 MRI 조영제 들은 이미 임상사용 허가를 받은 물질이라는 점에서 세포 추적 영상화에 실용화를 진행하고 있다. MRI 가 분자 영상과 세포 영상 분야에서 점점 그 중요성 이 커지고 있지만 낮은 민감도(10^-5mole/L)를 보완 하기 위하여 민감도가 높은 다른 분자영상 기법과 결합하려는 연구가 진행되고 있다. 광학 영상은 매우 낮은 정도의 영상 신호도 감지할 특이도와 예민도가 높아서 자기공명영상의 단점을 효과적으로 보완할 수 있다. 특히, 근적외선 영역(Near-infrared:NIR)에 서 특정하게 형광 특성을 나타내는 형광물질과 이미 징 시스템을 이용하는 것이 매우 효과적이다. 근적외 선 형광 물질 파장의 영역(700~1,300nm)은 조직 투 과력이 좋고 영상의 배후 잡신호를 최소화할 수 있다.

본 연구실에서는 근적외선 형광물질과 산화철 나노입 자를 함유하는 고분자 나노입자를 개발하여 수지상세 포의 생체내 추적을 위한 이중 모드 이미징이 가능하 도록 하였다[그림 4].

MRI/NIR 이중모드 분자영상용 고분자 입자는 근적외선 형광물질인 Indocyanin green (ICG)과

그림 3. 수지상세포 기반 항암치료 과정.

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산화철 나노 입자를 함유하는 PLGA 고분자 나노 입자로 제조하였다[그림 4]. ICG는 감광성 형광물질로 생체에 독 성이 없고 근적외선 영역의 빛 의 흡수율이 높아 임상 조영제 로써 FDA 승인되어 임상에서 사용중인 형광물질이다. 그리 고, 산화철 나노 입자 역시 이미 임상사용 허가를 받은 물질이므 로 임상에 적용하기 쉬운 ICG 와 산화철 나노 입자를 이용하 였다. 한편 생분해성 고분자인 PLGA(polylactic-co-glycolic acid)는 인체 내에서의 무해성, 안정성 및 생체 친화성이 있고, PLA(poly[lactic acid])와 PGA (poly[glycolic acid])의 성분 비 율에 따라 인체 내에서 분해되 는 속도가 좌우되는 특성이 있 으므로, 이 고분자에 약물이 함 유 될 경우에는 약물이 방출되 는 속도가 조절될 수 있다는 특 징을 지니고 있다.

앞서 언급했듯이, 치료용 면 역세포에는 수지상세포외에 T cell, NK cell 등이 있다. 이러한 여러 가지 세포를 동시에 분자 영상화하기 위해서는 다중모드 나노조영제가 필요하다. 최근에 본 연구실에서는 다양한 형광 특성을 가진 것으로 알려진 양 자점(quantum dots : QDs)과 MRI에서 다중모드가 가능한

19F-기반 자기공명 특성을 가지 는 플로오린(fluorine)을 동시에

그림 4. 이중모드(MRI/NIR) 나노조영제를 이용한 면역세포 분자영상기술.

그림 5. 면역세포의 다중분석을 위한 신개념 나노바이오소재.

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포함하는 새로운 개념의 나노바이오 소재를 개발하였 다[그림 5]. 이 개념은 서로 다른 자기공명 주파수를 갖는 4종류의 플루오린과 세가지 형광 특성을 나타내 는 QDs 물질을 나노에멀젼 형태로 제조한 것이다.

이 나노소재를 이용하여 수지상세포와 대식세포, T 세포를 효과적으로 표지할 수 있었으며, 나노소재 가 표지된 면역세포를 마우스의 피하로 주입하여 광 학영상 장비와 MRI 장비를 이용하여 그 위치를 추 적할 수 있었다.

2) 바이오의약품전달시스템기반나노메디컬소재개발 최근 단백질 치료제, 핵산 치료제 및 세포 의약품 등의 바이오 의약품을 대상으로 맞춤형 약물전달기 술(drug delivery system, DDS)을 이용하여 바이오 의약품의 방출, 흡수를 제어하거나 체내의 특수 부 위에 선택적으로 전달시켜 약물의 부작용을 획기적 으로 줄이고 치료 효능 및 효과를 극대화 시킬 수 있 는 맞춤형 DDS 플랫폼 기술개발에 대한 연구가 활 발하게 진행 중이다. 이 기술은 바이의약품의 생체 내 불안전성, 낮은 생체 표적성 및 낮은 치료 효과 등의 근원적 문제를 근원적으로 해결하기 위하여 나 노/바이오 융·복합 원천기술을 기반으로 단백질/

핵산/세포 의약품 맞춤형 약물전달시스템을 개발하 는 것이다. 특히, 미래 제약산업의 패러다임이 저분 자량 합성신약 개발에서 분자수준 치료가 가능한 바

이오 의약품 개발로 전환하고 있다는 점에서 이러한 기술 개발의 필요성이 매우 시급한 실정이다.

본 연구실에서는 생체친화성이 증빙된 생체소재와 질병의 진단을 위한 나노프로브 및 치료용 물질이 융 합된 다기능성 나노플랫폼 기술을 개발하고 있다. 개 발하고자 하는 나노바이오소재에 대한 연구방향은 [그림 6]에서 보듯이 크게 2가지이다. 첫 번째는 치료 용 약물이나 바이오의약품, 분자영상용 이미징 프로 브 등이 부착된 고분자 나노구조체이다(좌). 이러한 고분자 나노구조체는 생체 내 조건에서 쉽게 용해될 수 있는 형태로 제조된다. 두 번째 형태는 친수성/소 수성이 적절한 비율로 결합되어 나노구조체로서 자기 조립성질에 의해서 나노입자를 이루는 형태(우)이다.

3) 무기나노입자 기반 테라그노시스용 나노메디컬소재 현재의 항암제 약물치료나 방사선 치료에서 오는 많은 부작용을 줄이고, 특히, 정상세포는 영향을 주 지 않고 암세포만을 선별적으로 치료하기 위한 시도 가 나노기술 분야에서 활발하게 진행되고 있다. 특히 생체 투과도가 높은 근적외선 파장 영역의 빛을 이 용하여 암을 치료하는 신기술이 최근에 개발되었다.

생체와 친화도가 우수한 것으로 알려진 금 나노입자 의 구조를 조절하면, 근적외선 영역(700~1,200nm) 에서 빛을 강하게 흡수하도록 할 수 있다. 이러한 금 나노입자가 암세포 표면에만 특이적으로 결합한 후

그림 6. 의약품 전달용 고분자 나노구조체.

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에, 근적외선 빛을 조사해 주면, 암세포만을 특정하게 파괴시킬 수 있는 새로운 기법인데[그림 7], 기존의 화학요법에서사용되는 항암제의 양을 줄이고, 방사선 치료에서 오는 부작용을 줄이기 위한 대안으로, 인체 에 무해한 근적외선 광을 이용하기 때문에 임상에 적 용된다면 그 대체효과는 매우 클 것으로 확신한다.

본 연구자는 자성특성을 갖는 산화철(iron oxide) 나 노입자를 함유하면서 근적외선(NIR:near-infrared) 영 역에서 빛을 강하게 흡수하거나 산란하는 특성을 가 진 할로우 형태(hollow-type)의 금 나노케이지 입자 를 제조하여, 암의 진단 및 치료분야에 활용하였다.

자성입자를 함유하는 금 나노쉘 나노구조체는 빛을 근적외선 영역에서 빛을 강하게 흡수하는 특성을 갖 고 있기 때문에, 808nm의 레이져를 조사해 주면, 빛 을 강하게 흡수한 골드 나노구조체는 그 에너지를 열에너지 형태로 발산하게 되고, 이러한 열에너지에 의해서 특정 암세포만이 선택적으로 사멸되는 원리 를 이용한 것이다. 또한, MRI 조영제로 사용되고 있 는 Gadolinium 계통의 T1 조영제를 골드 나노쉘 입 자에 코팅함으로써, 질병의 진단 및 치료 기능을 동 시에 수행할 수 있는 다기능성 나노입자를 제조한 후, 암의 진단 및 치료분야에 활용하기도 하였다.

결론

현재 화학합성 의약품을 위한 약물전달시스템 및 바이오의약품 분야의 신약개발에 대한 연구 및 분자

영상분야에 활용되는 대부분의 나노조영제 및 분자 영상장비 개발이 미국이나 유럽 선진국을 중심으로 개발되고 있다. 이렇게 질병의 진단 및 치료분야에 대한 원천기술이 선진국 위주로 이미 선점된 시점에 서 나노기술 기반 융합형 기술기반으로 개발되는 조 기진단용 나노바이오소재 및 의약품 맞춤형 약물전 달시스템 개발은 신약개발과 동일한 기술적/경제적 /산업적 파급효과가 나타나는 원천기술을 개발하는 것으로 나노/바이오 융합기술에 강점이 있는 국내 연구환경에 매우 적합하며 시급히 개발해야 하는 기 술개발 분야이다. 하지만, 나노메디컬 소재 개발에 있어서 가장 중요한 문제 중의 하나는 개발하는 소 재의 독성문제이다. 실험실 단위의 연구에서는 독특 한 물리화학적 특성(광학, 자성 등)으로 인하여, 바 이오 또는 의료분야에서 유용하게 활용될 수 있다는 기대로 활발한 연구가 시도되었던 나노소재들이 많 은 경우, 이러한 독성문제로 인해 실제 인체적용에 는 그 한계를 경험한 소재들이 많이 있다. 최근 미국 국립암센터를 중심으로 카본나노튜브, 금속나노입 자, 반도성 나노입자 등에 대한 독성문제 분석 및 그 표준화에 대한 작업을 진행하는 것도 이러한 흐름을 반영해 주고 있다. 이런 점을 고려하면, 실제로 바이 오 및 의료분야에서 필요로 하는 기능을 가진 소재 를 설계하고 제조하는 과정에서, 그 특성이 입증된 생체친화성 소재를 활용하는 기법이 실용화 관점에 서는 더 선호되는 방법일 수 있다.