근적외선으로 약물 방출 조절하는 세포 모사 마이크로니들 개발

- 줄기세포 엑소좀 분비 기전 모사해 당뇨성 창상 치료 새 전략 제시 -

□ 국내 연구진이 줄기세포의 작동 원리를 모사한 근적외선 반응형 마이크로니들 플랫폼을 개발했다.

○ 당뇨 환자가 겪는 만성 당뇨성 창상에 새로운 치료 전략이 될 것으로 기대된다.

□ 한국연구재단(이사장 홍원화)은 가톨릭대학교 김한영 교수와 한양대학교 정현도 교수 공동연구팀이 줄기세포가 외부 자극에 반응하며 엑소좀을 분비하는 생리적 기전을 모방해 근적외선 반응을 통해 약물방출 제어와 2차 감염 예방이 동시에 가능한 신개념 세포모사형 근적외선* 반응형 마이크로니들**을 개발했다고 밝혔다.

* 근적외선(NIR): 생체 조직 투과도가 높은 근적외선 조사를 통해 약물방출 제어 및 광열 치료 등에 활용

** 마이크로니들(microneedle): 머리카락보다 가는 미세한 바늘로, 피부에 붙이거나 문질러 약물을 체내로 전달하는 기술

□ 흔히 ‘당뇨발’로 불리는 만성 당뇨성 창상은 혈류 장애와 지속적인 염증 반응으로 자연 치유가 어려운 질환이다.

○ 현재 사용되는 세포치료제나 연고형 국소치료제는 생체 내 잔존 시간이 짧고 대량생산과 장기 보관이 어렵다는 한계를 지닌다.

○ 최근 마이크로니들(MN)을 이용한 국소 약물전달 기술이 주목받고 있으나, 기존 MN은 생체적합성이 낮고, 생체적합성이 높은 히알루론산 기반 MN은 치료 효능이 제한적이다.

○ 만성 당뇨성 창상의 치료 제약을 극복하고 손상된 조직의 재생을 유도할 새로운 치료법 개발이 요구되는 상황이다.

□ 공동연구팀은 생체모방 개념을 적용, 줄기세포가 외부 자극에 반응해 엑소좀을 분비하는 생리기전에서 영감을 얻어 ‘근적외선(NIR) 반응형 마이크로니들’ 플랫폼을 개발했다.

○ 이 플랫폼은 히알루론산 기반 생분해성 니들층과 맥신 기반 광열 반응성 기판층으로 구성된 이중 구조로 설계되었다.

○ 니들층에는 줄기세포 유래 나노베지클(NV)*과 연어 정자 유래 DNA**를 결합한 NV-DNA 복합체를 탑재하고, 기판층에는 근적외선을 흡수해 열을 발생시키는 맥신*** 기반 소재를 적용했다.

○ 이렇게 개발한 마이크로니들 플랫폼은 근적외선이 조사되면 맥신이 열을 발생시켜 국소적으로 상처 부위 혈류를 개선하고 감염 원인균을 사멸시켜 2차 감염을 예방한다.

○ 또 이 열 자극이 NV-DNA 복합체의 방출을 정밀하게 유도함으로써 약물방출 시점과 속도 제어가 가능함을 확인했다.

* 나노베지클: 줄기세포에서 유래한 나노 크기의 입자로 약물 전달체나 질병 치료제 개발에 활용

** 연어 정자 유래 DNA((PDRN; DNA): 연어나 송어 등 어류에서 추출하는 DNA 단백질 조각

*** 맥신(MXene): 금속층과 탄소층이 교대로 쌓인 2차원 나노물질로 Ti3C2 기반 맥신은 근적외선을 흡수해 열에너지로 변환하는 능력이 뛰어남

□ 김한영·정현도 교수는 “이번 마이크로니들 플랫폼은 기존 약물전달 시스템의 비특이적 방출 문제를 극복하고 생체 환경 변화에 따라 반응하는 맞춤형 치료제로 작용할 수 있다”며, “향후 조직재생을 필요로 하는 차세대 세포모사 치료 기술로 발전할 수 있을 것”이라고 말했다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 개인기초연구사업(우수신진연구), 기초연구실사업, 국제협력사업으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료과학 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)에 10월 25일 온라인 게재되었다.

(그림1) 만성 당뇨성 창상 치료를 위한 줄기세포 모사 근적외선(NIR) 반응형 마이크로니들 개요도

줄기세포가 외부 자극에 반응해 엑소좀을 방출하는 생리적 기전을 모방한 세포 모사 근적외선 반응형 마이크로니들 플랫폼을 제조하였다. 만성 당뇨성 창상 부위에 근적외선을 조사하여 DNA가 결합된 나노베지클(NV-DNA) 방출을 제어한다.

그림설명 및 그림제공 : 한양대학교 신소재공학과 문찬호

(그림2) 줄기세포 모사 마이크로니들의 근적외선 조사에 따른 온도변화, 약물방출, 및 방출된 NV-DNA의 재생효과

근적외선을 조사했을 때 줄기세포 모사 마이크로니들 삽입 부위의 온도가 상승하였다. 이러한 온도 상승에 따라 NV-DNA 복합체의 방출이 촉진되었다. NV와 DNA의 안정적 결합을 확인하였으며, 최종적으로 당뇨 질환 동물 모델에서 근적외선 반응형 줄기세포 모사 마이크로니들의 NV-DNA 방출에 따른 염증 완화와 조직 재생 효과를 확인하였다.

그림설명 및 그림제공: 가톨릭대학교 바이오메디컬화학공학과 고희경

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