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3D프린팅 활용한 암 표적 총알 개발

- 다양한 난치성 질환 치료제에 플랫폼 기술로 적용 기대 -

□ 암 조직을 타겟으로 항암약물을 방출해 치료하는 암 표적 총알을 국내 연구진이 개발했다.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 가톨릭대학교 정현도 교수, 성균관대학교 박우람 교수 공동연구팀이 X-선 영상을 통해 암의 위치를 확인하면서, 근적외선을 통해 항암제 제어방출 및 광열 치료*를 동시에 적용할 수 있는 신개념 항암치료용 임플란트인 약물방출 총알을 개발했다고 밝혔다.

• ⁎︎광열 치료(photothermal therapy): 정상세포보다 열에 약한 암세포의 약점을 이용해 체외에서 근적외선 레이저를 쪼여 암세포를 태우는 치료법. 정상조직의 손상 없이 암세포만 선택적으로 없앨 수 있어 주목받고 있다.

□ 암 치료를 위해 보통 외과적 수술 외에 항암제, 방사선 치료 등을 하지만 각 치료법마다 부작용과 한계점이 따른다.

○ 항암제를 이용한 화학 요법의 경우, 항암제가 정상 세포에도 영향을 미칠 수 있다. 이러한 부작용을 줄이기 위해 표적지향형 약물방출이 가능한 다양한 접근방식이 연구되고 있다.

○ 차세대 암 치료 기술로 주목받고 있는 광열 치료는 화학 요법, 방사선 치료와 달리 암 조직만 선택적으로 사멸할 수 있어 전 세계적으로 연구가 활발히 진행 중이다. 하지만 다른 치료 방법과 병행했을 때 더 효과를 발휘할 수 있어 각 치료법의 장점을 결합한 치료법 개발이 요구되는 상황이다.

□ 공동연구팀은 근적외선에 반응해 약물방출과 광열 치료를 동시에 수행할 수 있는 다기능 나노약물 플랫폼을 개발했다. 플랫폼의 핵심이 되는 총알 형태의 임플란트는 암 조직에 침투시켜 근적외선을 조사하면 나노약물을 방출하는 방식으로 설계되었다.

○ 특히 총알의 소재는 폴리락트산*과 티타늄으로 구성된 생분해 소재를 활용해 3D 프린팅으로 제조했고, 항암제를 상변화물질**과 함께 총알 형태의 임플란트 내부에 탑재했다.

○ 사용된 3D 프린팅 소재는 근적외선을 적용하면 발열하는 특성이 있으며, X-선 불투과성이 있어 X-선 촬영을 통한 영상 유도 광열치료가 가능하다. 또한 상변화물질과 함께 탑재된 약물은 광열치료 시 발생하는 열로 약물방출을 조절할 수 있다.

○ 이렇게 개발한 나노약물 방출 총알은 전임상실험을 통해 암 크기 감소 효과를 확인했고, 카테터를 이용한 국소 전달 기능도 검증했다.

• ⁎︎폴리락트산(PolyLacticAcid): 식물 등 재생가능한 원료로부터 합성 가능한 생분해성 고분자 소재

• ⁎︎*상변화물질(Phase Change Materials, PCM): 물질의 상태가 변하면서 많은 열을 흡수 또는 방출할 수 있는 물질

□ 공동 교신저자인 정현도 및 박우람 교수는 “질병과 싸우고 사람 살리는 총알을 개발했다”며, “본 플랫폼을 항암치료뿐만 아니라 조직재생, 당뇨, 관절염 등 다양한 질병에 적용해 혁신적인 난치성 질환 치료제를 개발 할 수 있을 것”이라고 기대감을 밝혔다.

□ 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 기초연구실사업, 창의도전연구사업으로 수행되었으며, 화학공학분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 11월 3일 온라인 게재되었다.

주요내용 설명

1. 연구의 필요성

○ 암은 인간의 건강과 생명에 심각한 위협이 되는 질환이지만, 수술, 방사선 요법, 및 화학요법 등의 기존 암 치료법은 치료 성공률을 저해하는 여러 한계점을 가지고 있다.

○ 광열 치료(photothermal therapy, PTT)는 빛을 이용하여 열을 발생시켜 암세포를 사멸시키는 치료 방법이다. 효과적인 PTT를 위해 조직투과율이 높은 근적외선(near-infrared, NIR)을 사용한다. 그러나, PTT만 단독 사용하는 경우, 일정 수준의 암세포 사멸 효과를 보일 수 있으나, 다른 치료 방법과 결합하여 사용할 경우 더 효과적일 수 있다.

○ 화학 요법(chemotherapy)의 경우, 항암제를 이용하여 암세포를 사멸시키는 치료 방법이므로, 항암제가 정상 세포에도 영향을 미칠 수 있다. 이러한 화학 요법의 부작용을 줄이기 위하여 `암 표적지향형 약물방출‘이 가능한 다양한 접근방식이 연구되고 있다.

○ 따라서, 광열 치료와 표적지향형 화학요법의 장점들을 결합한 효과적인 암 치료 방법의 개발이 요구된다.

2. 연구내용

○ 본 연구에서는 근적외선(NIR)에 반응하여 약물 방출과 광열 치료를 동시에 수행할 수 있는 다기능 나노약물 플랫폼을 개발하였다. 이 플랫폼은 폴리락트산(PLA)와 티타늄(Ti)로 구성된 3D 프린팅 소재를 사용하였으며, 항암제(irinotecan nanoparticles, IRT NPs)를 상변화물질(phase change materials, PCM)과 함께 총알 형태의 플랫폼 내부에 탑재하였다.

• ⁎︎상변화물질(phase change materials, PCM): 특정 온도(상변화 온도)에서 고체에서 액체, 액체에서 기체, 또는 그 반대 방향으로 상이 변화되는 물질

○ PLA는 생체 적합성이 뛰어나며, Ti는 NIR을 흡수하여 열을 발생시키는 효과가 있다. 또한, Ti는 방사선 불투과성이 있어 이미지 유도 항암치료가 가능하다.

○ IRT NPs는 암세포에 선택적으로 결합하여 사멸시키는 효과가 있으며 PCM matrix에 나노화약물(nanodrug)으로 고르게 분산되어 있어서 광열치료(photothermal therapy, PTT) 과정에서 발생하는 열로 약물방출조절을 할 수 있다.

• ⁎︎광열치료(photothermal therapy, PTT): 빛을 조사해 열을 발생시킴으로써, 국소적인 가열을 통해 비정상적인 세포, 특히 암세포를 선택적으로 사멸시키는 치료법

○ 이 플랫폼에 대해 본 연구진은 in vitro 및 in vivo 조건에서 광열 치료 및 화학 요법의 시너지 효과와 카테터를 이용한 국소 전달이 가능함을 확인하였다.

• ⁎︎In vitro: '유리 안에서'라는 의미로, 제어가 가능한 생체외 환경을 의미함

• ⁎︎In vivo: ‘세포 안에서’라는 의미로, 살아있는 생체내 환경을 의미함

○ 본 연구에서 개발된 플랫폼은 종양 모델에서 X-ray 영상 및 3차원 영상화를 통해 3D 모델링 및 프린팅을 적용하여 목표 부위/암종 맞춤형 외형 설계 가능성까지 검증하였다.

3. 연구성과/기대효과

○ 본 연구는 광열 치료와 표적지향 화학 요법을 결합한 새로운 암 치료 전략을 제시하였다.

○ 연구 결과들을 통해 암세포의 사멸율 증가, 항암제의 부작용 감소, 및 암 치료의 정확성 및 효율성 향상을 확인하였으며, 이는 기존의 항암치료에 단독요법을 사용하였을 때의 한계점을 두 개 이상의 요법을 동시에 적용함으로써 해결할 수 있다는 가능성 제시하였다는 데 의미가 있다.

○ 또한, 3D 프린팅 기술을 이용하여 병증의 시기와 상황에 맞는 복잡한 구조의 나노약물 플랫폼을 제조할 수 있음을 보여주었다. 이 새로운 플랫폼 및 접근방식은 항암치료 뿐만 아니라 조직재생, 당뇨, 및 관절염 과 같은 다양한 난치성 질환 치료에 적용할 수 있을 것이라 기대된다.

○ 본 연구는 의료공학, 소재공학, 화학공학, 및 생명공학 등의 독립적인 연구들의 융합연구로 현재 인류가 직면한 다양한 보건적 난제를 융합 기술을 통해 해결할 수 있다는 가능성을 보여주었다.

그림 설명

(그림1) 근적외선(NIR) 유발 약물-광열 치료를 위한 3D 프린팅 나노약물 방출 총알의 개요도

PLA/Ti 필라멘트를 사용해 3D프린팅한 총알 모양의 나노약물 전달 플랫폼에 상변화 물질과 항암 나노약물을 주입하여 나노약물 방출 총알을 제조하였다. 암 부위에 근적외선을 조사하여 나노약물 전달 플랫폼에서 나노약물을 방출을 유발한다.

그림설명 및 그림제공 : 가톨릭대학교 이현 박사

(그림2) 나노약물 방출 총알의 근적외선 적용에 의한 온도변화, 약물방출, 및 그로 인한 항암효과

나노약물 방출 총알에 근적외선을 적용하였을 때 총알 삽입 부위의 온도가 광열효과에 적합한 온도인 40~45 ℃로 상승하였다. 또한 온도상승에 의한 약물방출도 확인하였다. 최종적으로 동물 질환 모델에서 나노약물 방출 총알의 광열효과와 약물 방출에 의한 암 크기 감소 효과를 확인하였다.

그림설명 및 그림제공: 가톨릭대학교 생명공학과 한기남 박사수료생

연구 이야기