바이오인

핵심내용

-앙게반테 케미지 발표,“백신 위치를 추적할 수 있으면서 효능도 탁월한 나노항암백신 개발”

 □ 매우 작은 금 알갱이(금 나노입자, 지름이 10억분의 1미터)를 이용해 위치를 추적할 수 있으면서 암을 예방‧치료할 수 있는 효능도 탁월한 항암백신기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다. 

 ○ KAIST 전상용 교수(42세)가 주도하고 이인현 박사(제1저자) 등이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 △선도연구센터 △신기술융합형성장동력 △바이오의료기술개발 사업의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 독일화학회가 발간하는 화학분야의 권위 있는 학술지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’지 7월호(7월 29일)에 게재되었다.

 ○ 특히 이번 성과는 상위 5%이내 논문에만 수여하는 VIP(Very Important Paper)로 선정되는 영예를 얻었다.

 (논문명 : Imageable Antigen-Presenting Gold Nanoparticle Vaccines for Effective Cancer Immunotherapy In Vivo)

□ 암은 현대의학이 정복하지 못한 대표적인 난치성 질환 중 하나이다. 전 세계적으로 연간 3천만 명의 암 환자가 발생하고 있고, 특히 우리나라에서는 매년 사망원인 1위를 차지하고 있다.  

 ○ 암을 효과적으로 치료하기 위해서 부작용(정상세포까지 죽이는 세포독성)을 최소화하면서도 효과를 극대화할 수 있는 면역치료법(백신)이 전 세계적으로 각광받고 있다. 지금까지 백신은 독감에서부터 난치성 질환인 백혈병에 이르기까지 인류의 다양한 질병을 예방‧치료하는데 활용되어왔다.

 ○ 그러나 기존 대부분의 항암백신은 몸 밖에서 환자의 암 조직 파편 등으로 사람의 면역세포를 활성화한 후, 다시 그 면역세포를 몸속에 넣어 항암 면역반응을 유도함으로써 암을 치료하는 기술이다. 이렇게 하면 여러 단계의 백신 제조과정을 거치게 되고, 치료비도 비싼 것이 단점이다. 또한 몸속에 주입한 백신이 원하는 곳에 얼마나 도달했는지 추적할 수 없어, 치료효과를 예측하고 가늠할 수 없었다. 

□ 전상용 교수 연구팀은 기존 항암백신과는 달리 일반적인 근육주사로 면역세포들이 많이 모여 있는 국소 림프절을 통해 금 나노입자 백신을 효과적으로 전달하여, 항체를 생산하고 항암 면역반응을 유도함으로써 암을 예방‧치료하는데 이용할 수 있는 핵심원천기술을 개발하였다.

 ○ 또한 병원에서 진단용으로 많이 사용하는 엑스레이 등의 영상기기를 이용해 주입한 금 나노입자 백신을 추적하여, 백신이 목표하는 곳에 제대로 도달하였는지를 직접 확인할 수 있어 향후 개발될 새로운 백신의 효과를 예측할 수 있다는 점이 큰 특징이다.

 ○ 전 교수팀은 우선 금 나노입자 표면에 모델 암 항원(RFP 단백질)을 화학적으로 결합한 후, 추가적으로 면역보조제(DNA 단편)도 결합하여 금 나노백신 원천기술을 개발하였다.

 ○ 이 금 나노백신을 몸에 넣으면 국소 림프절로 선택적으로 이동하여 해당 암에 특이적인 항체 생산을 촉진하고, 암세포를 제거할 수 있는 항암 면역세포도 활성화시켜 우수한 항암 효능을 나타낸다. 

 ○ 또한 연구팀은 동물실험을 통해 금 나노백신이 암을 예방할 뿐만 아니라, 이미 존재하는 암의 성장과 전이도 효과적으로 막을 수 있음을 증명하였다.

□ 전상용 교수는 “이번 연구는 금 나노입자를 이용하면 몸속에 투여한 백신을 쉽게 추적할 수 있고, 기존의 백신에 비해 복잡한 과정 없이도 쉽게 면역세포를 활성화할 수 있어 효과적으로 암을 치료할 수 있는 가능성을 보였다. 특히 이 원천 기반기술은 각종 암뿐만 아니라 현재 임상적으로 치료가 어려운 다양한 바이러스성 질환에도 폭넓게 이용될 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

Imageable Antigen-Presenting Gold Nanoparticle Vaccines for Effective Cancer

 Immunotherapy In Vivo

In-Hyun Lee, Ho-Keun Kwon, Sukyung An, Daejin Kim, Sunghyun Kim, Mi Kyung Yu, Jae-Hyuk Lee, Tae-Sup Lee, Sin-Hyeog Im, and Sangyong Jon

(Angewandte Chemie, 2012. 7. 29. 출판)

  현재 암을 퇴치하는 치료법 중 부작용을 최소화하면서 치료효과를 극대화하는 면역치료법이 암의 치료 분야에서 많은 연구 및 치료제품으로 각광을 받고 있다. 일반적으로 면역 치료법은 오랜 기간 동안 인류의 질병을 치료하기 위해서 이용되어 왔다. 하지만 기존의 면역 치료법(백신)과는 달리 암을 면역 치료하기 위해서는 항원 특이성과 면역 보조제의 활성문제, 그리고 항원제시세포(antigen-presenting cell)로의 정확한 항원의 이동 및 항원전달세포의 활성화와 같은 한계점을 극복해야 한다. 이런 문제점을 해결하기 위해서 본 연구팀은 금 나노 입자를 이용해서 면역치료제 시스템을 개발하고 물질 특성 및 동물실험을 통하여 항암 활성을 규명하였다.

금 나노 백신 제조는 금 나노 입자에 암 모델 항원인 (RFP)를 섞어주어 dative thiol-gold 결합을 금 나노 입자 표면과 RFP 사이에 형성되어 RFP/AuNP를 제조하였고 그 이후에 thiol modified 된 CpG 1668 ODN 을 넣어주어 CpG/RFP/AuNP를 제조하였다. 이 두 가지 금 나노 백신의 크기가 25nm 이하로 형성됨을 확인하였다 (RFP/AuNP:14±3nm ,CpG/RFP/AuNP: 23±7nm).

이렇게 수십 나노 크기로 제조된 금 나노 백신의 CT 영상화 확인을 위해서 실제 실험동물에 투여 시 시간에 따른 영상 이미징을 CT로 확인한 결과 국소 림프절에 금 나노 백신이 이동한 것을 확인할 수 있었으며, 실제 국소 림프절에 금 나노 백신이 존재하는 것을 국소 림프절의 세포질 염색 및 은 염색을 통하여 조직학적으로 확인하였으며, 금 나노 백신이 전달된 면역 세포 종류 확인 결과 항원제시 세포에서 가장 많은 금 나노 백신이 발견되었다. 이러한 결과는 기존 백신의 개선점이었던 항원제시 세포로의 정확한 항원의 전달이 금 나노 백신을 이용하면 해결할 수 있다고 볼 수 있다.

실제 동물에서의 금 나노 백신의 효과를 확인하기 위해서 금 나노 백신을 투여하여 혈중 내에서 모델 항원인 RFP 특이적인 항체가 대량으로 발생함을 확인할 수 있었으며 또한 발생한 항체의 isotype 조사 결과 금 나노 백신들(RFP/AuNP, CpG/RFP/AuNP)에 의해서 유도된 항체 종류는 일반적인 백신인 Alum으로 유도되기 힘든 항암 면역 및 항바이러스 면역 유도에 도움이 되는 Th1의 항체 종류임이 밝혀졌으며 면역세포의 증식 실험을 통해서도 RFP 특이적인 면역이 금 나노 백신들에 의해서 유도됨이 증명되었다.

암 동물 모델을 이용한 항암 효력 실험에서도 금 나노 백신(RFP/AuNP, CpG/RFP/AuNP)으로 예방 시 동물에 투여 시 RFP를 발현하는 암의 형성은 예방하는데 비해서 RFP를 발현하지 않는 암의 형성은 예방하지 못하는 실험 결과를 얻었다. 이는 금 나노 백신들이 암의 모델 항원인 RFP에 특이적인 면역을 유도하는 것으로 확인되었으며 생쥐의 전이성 폐암 모델에서도 암의 형성을 억제하는 것으로 보아 전이성 암을 예방하는 효과도  탁월한 것으로 확인할 수 있었다.

또한 암 치료용 백신효과를 확인하기 위해서 암을 미리 형성한 후에 금 나노 백신(RFP/AuNP, CpG/RFP/AuNP) 투여 시 치료효과를 관찰한 결과 대조군에 비해 암의 성장을 억제하는 치료 효과를 확인할 수 있었다. 또한 금 나노 백신을 투여한 실험군에서 대조군에 비해서 항암 면역의 중요한 사이토카인 물질인 IFN-γ가 발현 및 생산하는 것을 및 ELISA 및 유세포 분석기를 이용하여 확인하였으며 항암 면역에서 중요한 면역 세포인  CD8+ T세포 증식도 금 나노 백신을 투여군에서 증가함을 유세포 분석기를 이용하여 확인하였다.

이러한 결과를 종합해 볼 때 금 나노 백신을 생체 내 투여 시 국소 림프절로 이동하는 것을 영상화할 수 있으며 암 특이적인 면역을 활성화할 수 있는 것으로 확인되었다. 이는 기존의 항암 치료 및 예방 백신의 개선점인 항원제시 세포(antigen-presenting cell)로의 정확한 암 항원의 이동의 어려움을 해결하였으며, 백신의 위치를 확인하므로써 치료의 효과를 간접적으로 파악할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 백신 제조 과정 또한 복잡한 과정 없이 물질을 손쉽게 섞어 주어 백신 제조가 완성되므로 향후 제품 개발 시 기존의 백신에 비해 제조 과정을 현저히 줄일 것으로 예상된다. 또한 이런 금 나노 백신 기술은 차세대 백신 원천 기술이므로, 향후 다양한 질병 예방 및 치료를 위해 광범위하게 응용할 수 있을 것으로 생각된다.

용   어   설   명

1. Angewandte Chemie 誌
 ○ 응용화학 연구 분야에서 최고의 권위를 인정받고 있는 대표과학전문지. 전 과학 분야에서 상위 1.1% 이내에 랭크되는 학술지로, 융합(Multidisciplinary) 분야에서 4.6%(7위/152개) 이내에 든다. (피인용지수: 13.455)

2. 모델 항원 (RFP)
 ○ 암 특이적인 모델 항원을 암세포에서 발현하기 위해서 모델항원인 Red Fluorescent Protein (RFP)을 유전자를 melanoma 세포에 도입하여 RFP에 대한 특이적인 면역 활성을 확인함으로써 백신의 효과를 정량할 수 있다. 

3. 면역보조제 (CpG ODN)
 ○ 박테리아로부터 유래된 특정 염기 서열을 갖고 있는 oligodeoxynucleotide (ODN)이 면역 활성화를 유도하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 연구 결과 5‘-PuPuCpGPyPy-3’의 특이적인 염기서열을 갖는 CpG ODN이 대식세포, 항원 전달 세포 그리고 자연 살해 세포들을 활성화시켜 IL-6, IL-12, IL-18, TNF-α와 같은 사이토카인들의 분비를 촉진시키고, 보조인자와 MHC class I과 class II의 발현을 증가시켜 Th1의 항암 혹은 항바이러스 특이적 면역반응을 유도할 수 있다.

4. 국소 림프절
 ○ 국소 림프절(local lymph node)은 림프계의 일부로, 치밀불규칙 결합조직으로 구성된 피막(capsule)에 의해 싸여 있으며 림프구로 채워져 있는 작은 결절이다. 림프절은 림프관 사이사이에 위치에 있으며, 한 쪽이 오목한 강낭콩 모양으로, 작은 것은 직경이 1mm에서 큰 것은 직경이 1~2cm에 이른다.

사   진   설   명

그림 1. 금 나노 암 백신의 치료 효과.
       (ㄱ) 금 나노 백신을 실험동물에 투여하였을 때 (노란 화살표) 48시간 후에 백신이 국소 림프절로

             (주황색 화살표) 이동되었음을 보여 줄 수 있는 CT 이미징 사진.
       (ㄴ) 실험동물에 금 나노 암 백신을 투여한 뒤 형광을 발현하는 암 세포를 이용하여 폐 전이암 모델

             을 유도 하였을 때 대조군에 비하여 폐에서 금 나노 암 백신 투여군의 폐는 암세포가 거의 발견

             되지 않음을 보여줌. 금 나노 암 백신의 (ㄷ) 암의 예방 효과 및 (ㄹ)암의 치료 효과.

[사진설명] 이번 연구를 주도한 전상용 교수(위)와 이인현 박사