부처연구성과
암 치료용 박테리아 나노로봇 세계최초 개발
- 등록일2013-12-16
- 조회수8222
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성과명
암 치료용 박테리아 나노로봇 세계최초 개발
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연구자명
박종오
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연구기관
전남대 박테리오봇 융합연구단
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사업명
미래유망융합기술 파이오니어사업
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지원기관
미래창조과학부와 한국연구재단
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보도자료발간일
2013-12-16
- 원문링크
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키워드
#나노로봇 #암치료
- 첨부파일
세계최초+암+치료용+박테리아+나노로봇+개발.hwp
핵심내용
- 생물(박테리아)/무생물(약물) 결합체인 ‘박테리오봇’의 동물 실험을 통한 암지향성 입증
- 고형암 진단·치료를 위한 의료용 나노로봇 국제원천특허 확보로 실용화 기반
□ 국내 연구진이 고형암*의 진단 및 치료가 동시에 가능한 박테리아를 이용한 의료용 나노로봇(박테리오봇*)을 개발하고 동물실험을 통해 그 타당성을 입증하여 대표적인 난치성 질환인 암을 치료할 수 있는 능동형 약물전달체 방법론을 제시하고 한국의 높은 의료용 마이크로/나노로봇 기술 경쟁력을 입증하였다. 기존의 수동형 나노약물입자가 아닌 능동형 의료용 나노로봇으로는 세계최초 사례이다
*고형암 : 대장암, 유방암, 위암, 간암, 췌장암등 고형장기에 발생하는 암
*박테리오봇(Bacteriobot) : 박테리아의 인식, 운동, 치료성능과 약물 전달체의 치료성능이 결합된 새로운 개념의 능동형 의료용 나노로봇
o 박테리오봇 크기 : 직경 3 μm
o 과학전문지 ‘Nature’ 자매지 ‘Scientific Reports’ 12월 최신판 발표
o 박테리오봇 국제원천특허 확보 (등록/출원 : 국외 10건, 국내 23건)
o ‘박테리오봇’ 용어 상표등록출원 (박종오/박석호, 41-2012-0041720)
□ 미래창조과학부 (장관 최문기)와 한국연구재단의 ‘미래유망융합기술 파이오니어사업’의 지원으로 전남대학교 박종오 교수의 ‘박테리오봇 융합연구단’에서는
o 과학전문지 ‘Nature’ 자매지인 ‘Scientific Reports’ 온라인 12월 최신판에 ‘박테리아기반 마이크로로봇을 이용한 암 진단•치료법에 관한 새로운 패러다임 (New paradigm for tumor theranostic methodology using bacteria-based microrobot)’라는 제목의 논문을 발표하였다.
o 연구단은 본 논문에서 암 진단·치료가 동시에 가능한 박테리아를 이용한 나노로봇 (박테리오봇Ⓡ)을 개발하고, 이를 이용하여 고형암(대장암, 유방암)를 효과적으로 진단·치료하는 새로운 패러다임을 제시하였으며, 향후 박테리오봇을 이용한 관련 암 치료제 개발과 의료용 마이크로/나노로봇 개발 등에 관한 원천기술 확보가 가능할 것으로 예측된다.
□ 본 연구는 항암 약물 및 약물 전달체와 같은 기존의 암 진단·치료에 있어 수동적인 방식의 한계를 극복할 수 있는 이동·약물전달이 능동적으로 가능한 의료용 나노로봇에 관한 새로운 방법론을 제시하고,
o 고형암(대장암, 유방암)을 가진 동물(쥐) 모델을 이용하여 박테리오봇의 암 지향성 및 암조직 내 타겟팅(표적화) 여부를 세계 최초로 밝혀, 향후 암 진단·치료가 동시에 가능한 능동형 약물전달체 개발 및 의료용 나노로봇 개발 분야에 활용할 수 있는 길을 열었다.
□ 그 동안 많은 장점과 의료분야 활용성이 높은 마이크로/나노로봇 개발에 관해 세계 유수의 연구진들의 노력에도 불구하고 이제까지는 단편적인 운동성 연구에 머물렀고, 능동적으로 이동하고 특정질환을 지향하는 의료용 마이크로/나노로봇에 관한 연구 성과는 전무하며, 세계적으로 권위 있는 학술지에 게재된다는 것은 극히 이례적임.
o 또한, 본 의료용 마이크로/나노로봇 기술(기능성 박테리아균주 개발, 능동형 약물전달체 개발, 의료용 마이크로로봇 개발 및 제어)은 국내 특허 출원 및 등록, 국제 PCT 출원과 미국, 유럽, 중국, 일본 등에 국제 특허 출원을 마친 상태이다.
o 박테리오봇의 구조는 크게 두 부분으로 나뉜다. 살아 있는 생물체인 박테리아와 약물이 들어 있는 마이크로구조체(3μm 크기)로 구성되었다. 박테리아는 유전자를 조작하여 독성을 제거하였으며, 편모로 움직여 조직이나 혈액 속을 유영한다. 그 박테리아들은 항암제 등 특정 약물이 들어 있는 마이크로구조체를 밀고 암이 있는 곳을 찾아가도록 설계됐다. 박테리아들은 암에서 분비하는 특정한 물질(예, 혈관형성촉진인자)을 표적 삼아 암을 찾아간다. 마이크로구조체는 박테리오봇이 암에 도착하면 터져 항암제를 암 표면에 뿌리게 된다. 박테리오봇의 이동 속도는 평균 초속 5μm 가량이다. 박테리오봇이 실용화되면 미세한 초기암도 찾아가 항암제를 주입할 수 있게 돼 암 진단과 치료에 획기적인 전기를 마련할 수 있을 것으로 기대된다.
□ 본 연구는 다양한 분야의 전문가들 간의 융합연구의 대표사례가 될 것이며 책임자간의 구체적인 역할분담은 다음과 같다 :
- 박종오 교수(전남대 로봇연구소장) : 과제 총괄책임 및 개념도출
- 박석호 교수(전남대 기계공학부) : 박테리오봇 설계 및 제작
- 민정준 교수(전남대 의대 핵의학) : 박테리아 조작 및 의료검증
- 박성준 박사(전남대 로봇연구소) : 박테리오봇 제작 및 평가
- 박승환 박사(전남대 의대 핵의학) : 동물실험 검증
□ 관련 논문이 게재된 ‘Scientific Reports’의 심사 의견(편집자 Lidong Qin, 코넬대 세포 발생생물학과 교수)은 ‘논문의 독창성에 동의한다’, ‘실험이 주의깊게 설계되었고 제시된 데이터는 결론을 뒷받침한다’ 등 이며 고려대학교 융합대학원 이상호 교수는 “본 연구 성과는 세계 최초로 살아있는 생물체와 마이크로구조체를 융합시켜 암 지향성 치료능을 가진 의료용 마이크로로봇 (박테리오봇) 개발에 관한 가능성을 제시하고, 세포배양 및 생체 환경에서 박테리오봇의 운동성 및 암 지향성을 검증한 연구로서, 암을 비롯한 난치성 질환의 진단 및 치료가 동시에 가능한 마이크로·나노로봇 개발에 관한 독창적인 연구결과로 중요한 이정표가 될 것”이라고 평가하였다.
□ 본 연구 총괄책임자인 전남대학교 로봇연구소 박종오 소장은 “본 연구 성과는 세계최초로 기존 암 진단·치료의 한계를 극복할 수 있는 새로운 능동형 약물전달체와 의료용 나노로봇이라는 의미가 있으며, 계속 활발한 의학·공학간 융합연구를 통해 다양한 난치성 질환의 진단·치료가 가능한 의료용 마이크로·나노로봇 개발에 관한 도약의 계기가 될 것”이라고 밝혔다.
상세내용
연구결과 개요
1. 연구배경
○ 의학의 발달과 과학기술의 진보로 인간의 수명은 늘어났으나 암을 비롯한 다양한 난치성 질환들은 증가 추세임. 기존 항암제는 암세포에 대한 낮은 선택성, 비특이적 독성, 다수의 약물에 대한 저항성 등의 단점이 있고, 이를 극복하기 위한 대안으로 많이 연구되고 있는 약물전달시스템은 기존 항암제의 부작용을 줄일 수 있지만, 불용성과 불안정성에 의한 심각한 독성문제가 남아 있음.
○ 기존 약물전달시스템의 문제점을 해결하기 위해 박테리아의 이동성, 암 지향성, 형광성, 암 치료성 등을 이용한 새로운 개념의 암 진단·치료가 동시에 가능한 의료용 마이크로로봇 개발에 관한 연구임.
○ 진단 및 치료의 대상 암세포 (고형암: 대장암, 유방암 등)를 인식, 이동, 접근하여 지속적으로 치료용 약물과 박테리아를 전달하여 치료하는 박테리아기반의 마이크로로봇으로, 동력원·인식·이동·자율기능 구현 등의 난제로 정체 상태인 마이크로·나노로봇의 문제점들을 해결할 수 있을 뿐만 아니라 이를 통한 원천기술 개발 및 관련 원천특허 확보가 가능함.
2. 연구내용
○ 생물과 무생물의 결합을 통한 새로운 개념의 나노로봇 개발
○ 나노로봇의 지향성, 운동성 평가를 위해 제작된 마이크로챔버와 특정 암세포 (고형암: 대장암, 유방암)를 이용하여 박테리오봇의 암 지향성능을 밝힘.
- 나노로봇의 운동성능은 박테리아가 중요한 역할을 담당하고 있음. 이를 위해 박테리아와 마이크로구조체 사이의 강력한 결합이 요구되어 박테리아 표면에 Biotin, 마이크로구조체 표면에 Streptavidin을 처리하여, Biotin-Streptavidin conjugation을 통한 강력한 결합능을 가진 박테리오봇 제작.
- 박테리오봇의 운동 성능평가를 위한 마이크로챔버를 제작하여, 활용 가능성을 시뮬레이션과 실제 실험을 통해 검증하였고, 여러 가지 세포들 (정상, 대장암, 유방암세포)들을 이용하여 박테로오봇의 암 지향 성능 및 운동 성능을 검증.
- 박테리아와 박테리오봇은 정상세포에는 미미한 변화를 보였으나, 암세포를 처리한 경우 암세포 쪽으로 박테리아가 이동하여 그 밀도가 증가하였으며, 박테리오봇은 암세포 지향성능 및 운동속도 증가를 보임.
- 박테리오봇의 암 지향성능 및 암조직 내 타겟팅 여부를 확인하기 위해 고형암을 가진 동물모델을 제작하고, 박테리오봇을 꼬리 정맥을 통해 주사함. 박테리오봇의 암 지향성능, 암 조직 내 타겟팅 여부는 발광, 형광 실험동물 영상장비 및 면역조직화학법을 이용하여 확인.
3. 기대효과
○ 암을 비롯한 난치성 질환의 진단·치료의 한계를 극복할 수 있는 새로운 개념의 의료용 마이크로·나노로봇 개발 가능
○ 높은 시장성의 의료장비 개발, 암 진단·치료·검증에 핵심적인 기반기술 제공 외에 난치성 질환 환자들에게 우수한 의료서비스 제공 가능.
○ 원천기술을 획득함에 따라, 의료용 마이크로·나노로봇 개발을 가속화시켜 의료로봇 산업 발전에 기여.
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