바이오인

핵심내용

- 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.

o 연구진은 세포 내 pH(수소이온 농도지수)를 감응하여 지능적으로 치료제와 유전자를 전달할 수 있는 나노입자 DNA 구조체를 개발하고, 암세포에 항암제 전달 및 약재 내성1) 억제를 통해 항암치료 효과를 획기적으로 향상시킬 수 있는 원리를 밝혀냈다.

o 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)2),그림1)와 상보적 결합3)을 하는 DNA, 치료 유전자인 안티센스 DNA(antisense DNA)4)를 붙여 조건에 따라 거동을 조절하는 지능적인 DNA 나노머신을 개발하였다.

o 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.

o 이런 금 나노입자는 세포 밖의 중성 pH에서는 DNA의 상보적 결합에 의해 나노입자 군집을 만들다가, 세포 안으로 들어가면 세포 내 엔도솜(endosome)5)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.

o 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 김진환 연구원

* (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.

상세내용

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 효과6)에 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

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(그림2).

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.