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위치 추적 가능한 ‘약물 전달체’ 탄생, 방출 패턴까지 조절?
위치 추적 가능한 ‘약물 전달체’ 탄생, 방출 패턴까지 조절?
  • 김수진 기자
  • 승인 2021.09.07 16:14
  • 댓글 0
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중금속 흡착 단백질 이용해 위치 영상화가 가능한 약물 전달체 기술 개발
방출 패턴 조절할 수 있는 다기능 약물 전달체 개발에 응용 가능
게티이미지뱅크
국내 연구진이 중금속 흡착 단백질을 이용한 금속 나노입자 고효율 생합성 기술을 개발하고, 이를 이용해 위치 영상화가 가능한 약물 전달체를 개발했다ⓒ게티이미지뱅크

[바이오타임즈] 질병을 치료하는 약물의 효과를 극대화하기 위해서는 체내에서 약물 방출 속도를 조절하거나 정확한 표적에 약물을 효율적으로 전달하는 ‘약물전달시스템’(Drug Delivery System, DDS)이 필요하다.

약물전달시스템 개발은 질병을 효과적이고 경제적으로 치료할 수 있게 함으로써 전 세계적인 고령화 시대에서 각종 질환으로 인해 발생하는 사회적 비용을 줄일 수 있는 중요한 역할을 하게 됐다. 또한, 약물 전달 기술은 기존의 약물은 물론, 앞으로 개발될 약물에 광범위하게 적용될 수 있어 신약 개발에 버금가는 수익 창출이 가능하다.

최근에는 약물 전달 장치에 관한 연구도 활발히 진행되고 있는 가운데, 국내 연구진이 위치 추적이 가능하고, 방출 패턴까지 조절할 수 있는 약물 전달체 기술을 개발해 관심을 모으고 있다.
 

금속나노입자와 약물을 동시에 포집한 다기능성 알지네이트 젤 개발과 이의 생체 내 위치 영상화 기술 모식도(사진=KAIST)
금속나노입자와 약물을 동시에 포집한 다기능성 알지네이트 젤 개발과 이의 생체 내 위치 영상화 기술 모식도(사진=KAIST)

◇중금속 흡착 단백질 이용해 위치 영상화가 가능한 약물 전달체 기술 개발

KAIST 생명화학공학과 박현규 교수 연구팀은 중앙대 화학과 박태정 교수, 가천대 바이오나노학과 김문일 교수와의 공동 연구를 통해 중금속 흡착 단백질을 이용한 금속 나노입자 고효율 생합성 기술을 개발하고, 이를 이용해 위치 영상화가 가능한 약물 전달체를 개발했다.

나노미터 스케일의 금속 입자들은 독특한 물리화학적 성질을 보이기 때문에 다양한 분야에서의 응용이 가능하며, 특히 생물학적으로 센싱, 치료 및 약물 전달 등을 위한 소재로써 주목받고 있다. 그러나 현재 금속 나노입자의 합성에 주로 사용되고 있는 물리화학적 방법은 독성이 있는 환원제, 계면활성제 및 유기 용매의 이용이 필요해 약물 전달체 등 생체 내에 사용하기 어렵다는 단점이 지적돼왔다.

이를 극복하기 위해 환원력이 우수한 단백질을 미생물 내에 과발현해 금속 나노입자를 생합성하는 기술이 개발되기도 했으나, 이 방법은 미생물이 받아들일 수 있는 금속 전구체의 종류 및 농도가 제한된다.

연구팀은 이 기술의 한계를 극복하기 위해서 중금속 흡착 단백질을 재조합 대장균 내에 과발현한 후, 이를 세포 외에서 고정화해 고농도/고속 금속 나노입자 합성이 가능한 세포 외 반응기를 개발하고, 이를 이용한 다기능 약물 전달체를 개발하고자 했다.

연구 결과, 대장균에 중금속 흡착 단백질을 발현하는 플라스미드를 형질 전환해 단백질을 과발현한 후 이를 알지네이트 젤에 포집해 그 활성을 안정화하는 기술을 개발했다. 중금속 흡착 단백질을 포집한 알지네이트 젤은 다양한 종류의 금속 이온을 30분 이내로 빠르게 고농도로 흡착 및 환원시켜 금, 은, 자성 및 양자점 나노입자 등 다양한 종류의 금속 나노입자를 알지네이트 젤 내부에 고농도로 생합성하는데 효과적으로 활용됐다.
 

논문 표지 이미지(사진=KAIST)
‘ACS 어플라이드 머터리얼즈 앤 인터페이시스'에 실린 논문 표지 이미지(사진=KAIST)

◇약물의 서방형 방출 가능, 향후 위치 추적이 가능한 약물 전달체 등에 응용 가능

알지네이트 젤은 산성 pH 환경에서는 구조를 유지하지만, 중성 pH 환경에서 구조가 분해되는 특징을 가지고 있어서 경구용 약물전달체로서 많이 사용되는 물질이다. 연구를 통해 개발된, 약물과 금속나노입자를 동시에 포집한 알지네이트 젤에서도 약물이 산성 pH에서는 방출되지 않고, 중성 pH에서는 시간에 따라 서방형으로 방출되는 것을 확인했다.

특히, 연구팀은 항암제 등 약물과 중금속 흡착 단백질을 알지네이트 젤에 동시에 포집한 후 높은 형광을 나타내는 양자점 나노입자를 젤 내부에 합성함으로써 형광을 통해 위치의 추적 및 영상화가 가능하고 약물의 서방형 방출이 가능한 다기능 약물 전달체를 개발하는 데 성공했다.

연구팀은 항암제와 녹색 형광을 보이는 카드뮴 셀레나이드(CdSe) 및 파란색 형광을 보이는 유로피움 셀레나이드(EuSe)로 이루어진 양자점을 동시에 포집한 약물 전달체를 마우스에 경구로 주입한 후, 이 약물 전달체의 위치를 생체 내에서 추적 및 영상화할 수 있음을 확인했다.

박현규 생명화학공학과 교수는 “이번 연구에서 개발된 중금속 흡착 단백질을 포집한 알지네이트 젤은 독성 물질 없이, 고속·고농도로 다양한 금속 나노입자를 생합성할 수 있고 동시에 약물의 서방형 방출이 가능하기 때문에, 향후 위치 추적이 가능한 약물 전달체 등에 응용될 수 있다”라고 밝혔다.

연구팀은 기존의 물리화학적 및 미생물 내에서 진행되는 생물학적 방식과는 달리, 중금속 흡착 단백질을 효과적으로 포집한 알지네이트 젤 기반 세포외 반응기는, 추가적인 환원제 등이 필요치 않고 고속/고농도 합성이 가능한 금속나노입자 생합성 기술로 자리매김할 것으로 기대한다고 밝혔다.

KAIST 생명화학공학과 졸업생 김문일 박사(現 가천대 교수), 중앙대 박찬영 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 미국화학회가 발행하는 국제 학술지 ‘ACS 어플라이드 머터리얼즈 앤 인터페이시스(Applied Materials and Interfaces)’ 2021년도 13호 표지 논문으로 선정됐다(논문명: In situ biosynthesis of a metal nanoparticle encapsulated in alginate gel for imageable drug-delivery system).

 

[바이오타임즈=김수진 기자] sjkimcap@biotimes.co.kr


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