바이오인

미토콘드리아로 약물 정확히 전달·방출하는 나노겔 개발

소수성 라이신과 이황화결합 나노겔로 항암제 효능 개선 기대

□ 약물의 효능을 극대화하고, 부작용은 최소화하기 위해 약물을 표적까지 정확하게 전달·방출하는‘나노약물전달체’연구가 세계적으로 활발한 가운데, 국내 연구진이 약물을 세포소기관*에 정확하게 전달하고, 방출하는 새로운‘나노약물전달체’ 설계 전략을 제시하였다.

* 세포소기관: 세포 안 원형질 가운데 특정한 가능을 가진 구조 단위로 핵, 미토콘드리아, 엽록체, 골지체, 소포체, 리소좀 등이 있음.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 강한창 교수(가톨릭대학교) 연구팀이 생체에너지 생산 및 세포사멸을 담당하는 세포소기관인 ‘미토콘드리아’를 표적으로 약물을 전달·방출하는 나노겔을 개발하고, 세포 및 동물실험을 통해 항암제의 효능 개선 효과를 확인했다고 밝혔다.

□ 기존의 나노약물전달체는 약물을 표적까지 전달하는 능력은 우수하지만, 표적지에서 방출하는 능력은 미흡한 실정이다.

○ 표적 방출을 유도하기 위해 효소 및 활성산소종 등의 자극을 활용하는데, 이들 자극은 세포 밖은 물론 세포질에도 존재하여 나노약물전달체가 표적에 도달하기 전 약물이 방출될 가능성이 높기 때문이다.

□ 연구팀은 약물이 세포소기관에 전달된 후, 방출되도록 나노약물전달체의 ‘표적 전달’과 ‘표적 방출’이 순차적으로 진행되는 새로운 미토콘드리아 표적 약물 전달 및 방출 설계 전략을 마련하였다.

□ 연구팀은 미토콘드리아로의 전달에 영향을 주는 소수성 라이신 기반의 나노겔을 만들어 약물이 세포의‘핵 보다 미토콘드리아’로 더 갈 수 있는 ‘표적 전달’을 구현하였다.

○ 또한 분해 자극인 글루타치온이 친수성임을 고려해 이황화 결합부위 환경을 소수성화하고 나노겔 내 이황화 결합부위에 글루타치온의 접근을 제한 또는 지연시켜 세포질 글루타치온 보다 미토콘드리아 글루타치온에 의해 이황화 결합이 분해되는 ‘표적 방출’을 성공시켰다.

□ 새로운 약물봉입 나노겔을 이용한 대장암모델 마우스 실험결과 약물의 양을 기존 5분의 1로 줄였음에도 암성장 억제능력이 기존과 유사하거나 좀 더 우수함이 확인되었다.

○ 한편 라이신 기반의 환원분해성 나노겔은 체내 투여부터 표적 방출까지 혈액 중 순환, 암세포 내로의 유입, 엔도솜/리소솜 탈출, 표적 세포소기관 내로의 유입, 표적 세포소기관 내에서의 방출 등 5가지 장애물을 효과적으로 극복할 수 있다.

□ 강한창 교수는 “이번 연구는 표적 세포소기관에 존재하는 분해 자극을 찾아, 정확한 약물방출을 유도하는 나노약물전달체를 개발한 데 의의가 있다”라며 “신규 나노젤이 다양한 질환의 예방 및 치료에 적용될 수 있도록 후속연구에 힘쓰겠다”라고 밝혔다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실, 중견연구의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 1월 25일 게재되었다.

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연구이야기 

1. 연구의 필요성

○ 약물 효능을 극대화시키고, 약물 부작용을 극소화시키기 위해 세포소기관 표적 나노약물전달체 개발의 중요성이 대두되고 있다.

○ 세포소기관을 표적할 수 있는 화학구조/화합물 또는 아미노산/펩타이드가 알려져 있으며, 대부분의 표적기는 여러 세포소기관 중 한 곳으로 전달되는 것을 선호하고 나노약물전달체를 특정 세포소기관에 전달하는 능력을 나타낸다. 예로, 트리페닐포스포늄, 로다민, 구아니딘 등을 포함하는 친유성 양전하 화합물과 아르기닌/라이신이 풍부한 미토콘드리아 투과 펩타이드, SS-31 등과 같은 친유성 양전하 펩타이드는 미토콘드리아 매트릭스 내로 나노약물전달체를 전달할 수 있고, 덱사메타손, 에스트로겐, 구아니딘 등의 화합물과 아르기닌/라이신이 풍부한 핵 국재화 시그널(nuclear localization signal), TAT, PKKKRKV 등의 펩타이드는 핵수용체와 결합하여 나노약물전달체를 핵 내로 전달할 수 있다고 알려져 있다.

○ 세포소기관 표적기로 사용되는 일부 양전하성 화학구조/아미노산(예, 라이신, 아르기닌, 구아니딘 등)은 미토콘드리아로 표적하는 능력을 보이기도 하고, 핵으로 전달하는 능력을 보이기도 한다. 그러나, 어떤 특성이 미토콘드리아와 핵 중 어디를 더 선호하도록 조절하는지 명확히 규명된 바는 없다.

○ 특정 세포소기관에 나노약물전달체를 표적 전달해도, 표적 소기관내에서 약물이 방출되어야 효능의 극대화, 부작용의 극소화를 얻을 수 있다. 그러나, 대부분의 세포소기관 표적 나노약물전달체는 우수한 세포소기관 표적 전달능력은 갖추고 있지만, 대부분 비효율적인 표적 방출성을 보였다.

○ 핵 및 미토콘드리아 같은 세포소기관에서 활용할 수 있는 표적 방출 자극으로 효소, 활성산소종, 글루타치온, pH 등을 고려할 수 있다. 그러나, 이런 자극은 세포 밖, 세포질, 엔도솜/리소솜 등의 환경에서도 존재하므로, 표적 세포소기관에 나노약물전달체가 전달되기 전인 세포 밖, 세포질 또는 엔도솜/리소솜 등에서 약물이 방출될 가능성이 높다.

○ 따라서, 표적 세포소기관에 나노약물전달체가 효과적으로 전달된 후, 나노약물전달체로부터 약물이 방출될 수 있도록 “표적 전달”과 “표적 방출”이 목적에 맞게 순차적으로 일어날 수 있도록 나노약물전달체를 설계할 필요가 있다.

2. 연구내용

○ 일부 양전하성 화학구조/아미노산(예, 라이신, 아르기닌, 구아니딘 등)의 미토콘드리아 또는 핵으로의 전달에 대한 표적지 선택에 영향을 주는 인자로 양전하 물질 주변의 소수성과 친수성 특성의 차이일 수 있다고 가정하고, 소수성 라이신을 이용해 “핵 보다 미토콘드리아”로 나노약물전달체가 더 갈 수 있도록 “표적 전달”전략을 설계했다.

○ 나노약물전달체의 생분해 속도를 느리게 제어하면, 표적 세포소기관 도달 전 나노약물전달체의 약물 방출을 억제할 수 있다고 가정하고, 대부분의 세포소기관 내 분해 자극(본 연구에서는 글루타치온)이 친수성의 특징을 갖기 때문에 생분해가 가능한 결합부위(본 연구에서는 이황화결합)의 환경을 소수성화시켜 친수성 분해 자극의 접근을 제한 또는 지연시켜 나노약물전달체가 느리게 생분해되도록 “표적 방출” 전략을 설계했다.

○ 라이신 기반의 환원분해성 나노겔을 만들고 라이신과 이황화결합 주변에 소수성을 부여하면, “핵 보다는 미토콘드리아”로 나노겔이 더 갈 수 있고, “세포질 보다는 미토콘드리아”에서 나노겔이 더 생분해되므로 미토콘드리아 표적 약물 전달 및 방출 나노약물전달체를 개발할 수 있었다(그림 1).

○ 또한, 소수성 라이신의 일차아민은 1) 혈액 내에서 중성에 가까운 전하를 띠어 정맥 투여가 가능하고 우수한 혈액 내 입자 안정성을, 2) 약산성의 암세포 밖 환경에서 양전하를 띠어 우수한 암세포 내 유입능을, 3) 엔도솜/리소솜 산성환경에서 이온화에 따른 수소이온 완충효과로 엔도솜/리소솜 탈출능을 갖도록 노출환경에 따라 양전하-중성전하 간 변형이 가능하다.

○ “표적 전달”과 관련해, 미토콘드리아로 더 많이 가는 독소루비신과 핵으로 더 많이 가는 독소루비신 염화수소를 활용해 독소루비신이 봉입된 나노겔의 세포소기관 표적능을 분석하면, 독소루비신을 봉입한 나노겔은 미토콘드리아를 선호하는 독소루비신 자체보다 3배 더 많은 양의 독소루비신을 미토콘드리아로 보낼 수 있고, 핵을 선호하는 독소루비신 염화수소 자체보다는 약 7-8배 더 많은 양의 독소루비신을 미토콘드리아로 전달할 수 있다.

○ “표적 방출”과 관련해, 이황화결합을 가진 나노약물전달체는 세포질의 글루타치온에 의해 빠르게 분해되어 봉입된 약물이 빠르게 방출되도록 설계하는 것이 일반적이고, 세포 내 글루타치온 농도에 노출 후 보통 20분 내로 봉입된 모든 약물이 방출된다. 그러나, 본 연구의 나노겔은 글루타치온 농도에서 느리게 분해되도록 설계되어 글루타치온 농도에 노출 후 4시간에 약 4%의 약물만, 48시간에 약 31%의 약물만 방출되어 미토콘드리아에서 더 많은 약물이 방출되도록 만들었다.

○ 따라서, 라이신 기반의 환원분해성 나노겔은 체내 투여부터 표적 세포소기관에 도달할 때까지 중요한 5가지 장애물(혈액 중 순환, 암세포 내로의 유입, 엔도솜/리소솜 탈출, 표적 세포소기관 내로의 유입(그림 2), 표적 세포소기관 내에서의 방출)을 효과적으로 넘어갈 수 있는 하나의 돌로 다섯 마리 새를 잡을 수 있는 일석오조의 효과를 기대할 수 있다.

○ 마우스 대장암모델에서 대조군 약물(독소루비신 염화수소) 단독 처리와 비교해, 약물봉입 나노겔은 사용된 약물의 양은 5분지 1로 적지만 암성장 억제능력은 유사하거나 좀 더 우수했음을 확인했다(그림 3). 이 결과는 나노겔이 약물 자체보다 최소 5배 더 우수한 암성장 억제능력을 가졌음을 의미한다.

3. 연구성과/기대효과

○ 소수성 라이신(lysine)과 소수성 이황화결합을 이용해 “핵 보다는 미토콘드리아”로 나노겔이 전달되고, “세포질 보다는 미토콘드리아”에서 나노겔이 약물을 방출하도록 설계한 나노약물전달체를 개발하여 항암제의 효능을 개선할 수 있음을 세포 및 동물실험을 통해 확인했다.

○ 나노약물전달체의 화학구조 및 성분을 통해 전달체의 갈 곳과 전달체 내의 봉입된 약물이 방출할 곳을 결정할 수 있다.

○ 효과적인 항암 나노약물전달체로 개발될 수 있고, 플랫폼 기술 특성을 활용해 다양한 질병을 치료할 수 있도록 변형할 수 있다.

○ 화학 항암제 뿐만 아니라 유전자 약물, 단백질 약물에도 적용 가능하다. 특히, 단백질 약물의 경우, oncomodulin을 이용해 신경축삭돌기 재생에 효과가 있음을 이미 보고한 바 있다(Theranostics 2022년 8월 출판, IF 11.600; 아주대 의과대학 신경과 김병곤 교수님이 언론 홍보한 바 있음.). 유전자 약물은 pDNA, siRNA 뿐만 아니라 mRNA 전달에도 활용될 수 있어 감염병 mRNA 백신 전달체로 활용될 수 있다.

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