바이오인

합성생물학과 생체전자공학이 융합한 Living drug

BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 24-44

■ 최근 살아있는 박테리아를 포함한 생체전자장치를 개발하여 건선 마우스의 피부 염증을 치료한 연구결과가 발표

○ 미국 시카고 대학 연구팀은 면역 항상성 조절 기작을 모방한 능동형생체통합전자장치(activebio-integratedlivingelectronics, ABLE)를 개발

  - 합성생물학과 생체전자공학이 융합된 ABLE은 살아있는 박테리아(Biogenic), 하이드로겔(Biomechanical), 생체전자장치(Bioelectrical)의 3가지 요소가 상호작용

< ABLE의 구성 모식도 >

■ 건선 마우스 모델을 대상으로 한 실험에서 비침습적이면서도 효과적인 치료 가능성을 입증

○ ABLE 장치를 건선 마우스의 피부에 4일 동안 적용 시 대조군 대비 건선 증상이 크게 향상되었으며, 6개월 이상 효과가 지속될 것으로 예측

  - 살아있는 미생물이 분비하는 항염증성 사이토카인에 의해 치료되는 원리이므로, 마치 살아있는 약(living drug)과 같아서 복용이나 보충이 불필요하며 장기간 효과가 지속

  - 건선 치료 외에도 인슐린을 분비하는 미생물을 이용한 당뇨병 치료에도 유용할 것으로 전망

○ ABLE은 선천성 면역 항상성을 조절하여 아래와 같이 건선을 치료

  - 생체전자장치는 신경세포처럼 피부의 습도, 온도, 염증을 감지하여 염증 반응과 피부 건조가 지속되면 박테리아에 전기 자극을 전달

  - 박테리아는 항염증성 사이토카인을 분비 → 톨-유사 수용체2(TLR2)를 억제 → 대식세포, 수지상세포의 선천성 면역세포의 활성이 억제

  - 염증성 사이토카인(IL-23) 분비 감소 → 적응성 면역세포인 림프구 활성 감소 → 염증성 사이토카인(IL-17) 분비 감소

  - 각질형성세포(keratinocyte)의 활성 감소 → 염증이 감소하고 표피 박리를 포함한 건선 증상 완화

< ABLE에 의한 선천성 면역 항상성 조절 기작 >

< ABLE에 의한 건선 치료 >

▶ ABLE 패치를 4일간 부착한 건선 마우스 그룹(ABLE)은 대조군(Control) 대비, 건선 증상이 개선

- 홍반(erythema), 경화(induration), 박리 (desquamation) 증상 모두 상당히 감소

■ 박테리아, 생체전자장치, 하이드로겔의 3가지 요소로 구성된 ABLE은 합성생물학과 전자공학의 융합 플랫폼으로,

○ 생체조직과 전자장치 간의 원활한 인터페이스는 다양한 질병 진단·치료에 혁신을 촉진할 것으로 전망

  - 특히, 살아있는 세포를 전자장치에 통합하는 방식(living bioelectronics)을 확장하면 다양한 분야에서 응용이 가능할 것으로 기대

○ 이번 연구에서는 살아있는 박테리아를 전자장치에 통합하여 면역 항상성 조절 메커니즘을 모사하는 새로운 치료 방식을 시도하였는데,

  - 합성생물학을 통해 다양한 기능을 수행하는 박테리아를 제작할 수 있기 때문에 다양한 적응증의 진단·치료 뿐 아니라 폭넓게 활용 가능성을 확장할 수 있을 것으로 기대

   ※ 연구팀은 치료 효과가 미생물에 의해 제공되기 때문에 다시 채울 필요가 없는 살아있는 약(living drug)과 같다고 설명

  - 합성생물학으로 인슐린을 생산하는 박테리아를 합성해 당뇨병을 치료하거나 특정 성분에 빛을 내는 박테리아를 제작해 건강 상태를 모니터링하거나 신경 활동을 관찰하는 장치를 개발하는 데에도 활용이 가능할 것으로 예상

[참고] Living sensor, 염증성 장질환 조기진단 및 추적 관찰

■ 염증 바이오마커와 반응하여 이를 형광으로 방출하는 박테리아를 유전적으로 엔지니어링

○ 박테리아는 저전력 전자장치와 함께 캡슐화되어 박테리아가 방출하는 빛을 무선신호로 변환하여 이를 스마트폰과 같은 휴대용 장치로 전송

  - 장내 생화학적 신호를 전자신호로 변환하여 건강 상태를 효과적으로 모니터링 해서 치료 계획에 활용

○ 염증성 장질환(inflammatory bowel disease, IBD) 바이오마커(nitric oxide, ROS, thiosulfate 등)에 반응하여 빛을 내도록 박테리아를 유전적으로 엔지니어링

  - 유전적으로 엔지니어링된 박테리아는 살아있는 상태로 소형의 저전력 전자장치 안에 포함되도록 설계

  - 전자장치가 장을 통과하는 동안 염증 바이오마커를 감지한 박테리아는 빛을 내며, 이러한 발광 신호는 무선으로 모바일 기기와 같은 외부 장치에 전송

  - 장내 건강 신호는 즉각적인 치료뿐만 아니라 장기적인 맞춤형 치료를 지원 가능

< Living sensor의 구성 및 작동 원리 >

...................(계속)

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