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2018. 07
What's New
나노약물 전달체의 비침습적 모니터링 기술 개발
Tracking the Fate of Porous Silicon Nanoparticles Delivering a Peptide Payload by intrinsic photoluminescence lifetime
13. July. 2018. https://doi.org/10.1002/adma.201802878
의공학 연구소 주진명 교수
의공학연구소 연구진이 국제 협력 연구를 통해, 나노 입자를 이용한 약물 전달 시스템의 생체내 거동을 비침습적(non-invasive)인 방법으로 측정할 수 있는 기술을 개발했다. 체내에서의 약물 전달과 치료 과정을 신속하게 모니터링 함으로서 치료 효과에 따른 처방 피드백을 획기적으로 개선 할 수 있게 됐다.
나노입자를 이용한 약물 전달 시스템에 대한 연구는 차세대 의학 플랫폼으로 전세계적인 관심을 받으며 진행되어 오고 있다. 신약개발에 대한 리스크를 줄이면서도 신약과 같은 파급효과를 일으킬 수 있는 약물 전달 시스템은 약물의 방출, 흡수를 제어하거나 병변 부위에 약물을 표적 전달함으로서 치료 효과를 극대화 할 수 있다. 이와 같은 약물 전달 시장 규모는 2016년을 기준으로 285억달러를 기록한 가운데, 2025년까지 연평균 14% 이상 성장할 것으로 전망되고 있다. 하지만 체내 주입시, 독성이나 부작용에 대한 해결책이 완전히 제시되지 못해 매우 제한적인 기술만 FDA승인을 통해 중개의학적으로 활용되고 있다.
의공학연구소 주진명 교수 연구팀은 김송철 교수(간담도췌외과), 명승재 교수(소화기내과), 김준기 교수(의공학연구소), 백찬기 교수(융합연구지원센터) 연구팀 및 미국 캘리포니아대학 샌디에고 (University of California, San Diego), SBP의학 연구소(Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute) 등으로 이루어진 국제 연구팀과의 공동 연구를 통해, 생분해성 실리콘 나노입자를 이용한 약물 전달 모니터링 시스템을 개발하였다.
실리콘은 반도체적인 특성을 가지기 때문에 전자기기와 에너지 산업에 많이 사용되고 있는데, 독특한 광학적 특성으로 인해 나노입자로 제작할 시에는 특유의 근적외선 형광 신호를 발생하며, 이 형광 신호는 일반적인 유기물 또는 생체 내에서 발생하는 자가형광(autofluorescence)에 비해 매우 긴 감쇄시간(lifetime)을 가진다. 이로 인해, 실리콘 나노입자의 형광 신호는 생체 외부에서 비침습적인 방법으로 명확하게 구분이 가능하다. 연구팀은 실리콘 나노입자 내부에 담지된 약물이 방출되는 과정이 나노입자의 생분해 과정과 긴밀한 상관관계를 가지며, 이를 형광 신호 변화를 통해 실시간으로 모니터링 할 수 있는 기술을 제시하였다. 특히, 실리콘 나노입자는 생체 내에 주입된 후에 규산(silicic acid) 형태로 분해되어 체외로 배출되며, 이 과정에서 생체 부작용을 야기하지 않는 것으로 알려져 향후 무독성 나노 약물 전달체로 크게 각광 받을 것으로 기대된다.
일반적으로 나노입자의 생체 내 거동과 약물 방출 과정을 모니터링 하는 기술은 유기물 형광체를 결합하거나 혈액 또는 조직 검사를 통한 방법을 이용하였지만, 생분해성 나노입자 고유의 형광 특성을 이용하여 비침습적으로 약물 전달 과정을 모니터링하는 기술은 많이 보고되지 않았다. 특히, 이번 연구에서 사용된 시분해(time-resolved) 형광분광법을 통해 실리콘 나노입자의 생체 내 형광 감쇄시간을 측정하고 이를 통해 약물 방출 과정을 모니터링 하는 기술은 형광 세기(intensity) 신호를 통해 나노입자와 약물의 생체내 거동을 추정하는 기존 방법의 한계를 혁신적으로 극복한 것이다. 연구팀은 실리콘 나노입자의 형광 감쇄시간이 수백 마이크로 초(micro seconde)에 이르는 것에서 착안하여, 수십 나노 초(nano seconde)에 불과한 자가형광의 감쇄시간으로부터 분리하였다. 또한, 약물을 담지한 실리콘 나노입자의 생분해 과정에서 형광 신호의 파장(wavelength)이 짧아지면서 감쇄시간이 감소하는 것을 확인하였고, 이 과정을 신속하게 측정함으로서 생체 내 약물 전달 과정을 모니터링 할 수 있는 길을 열게 된 것이다.
본 연구에서 사용된 실리콘 나노입자는 분자 수준의 화학 약물 외에도 DNA, RNA와 같은 유전자 또는 여러 종류의 단백질, 펩타이드도 담지하여 전달 할 수 있는 것으로 보고되고 있으며, 감염 질환과 암 등 다양한 질병에 대한 표적 치료도 가능한 플랫폼으로 평가되고 있다. 이번 연구를 이끈 주진명 교수는 “나노입자를 이용한 약물 전달 플랫폼은 전세계적으로 오랜 기간동안 주목 받고 있었으나, 생체내 거동 및 독성 평가에 대한 해답이 명확하게 제시되지 못해 매우 제한적인 영역에서만 임상으로 이어지고 있다. 하지만 최근에는 다양한 분야와의 융합 연구를 통해 중개의학적 활용 가치와 경제적, 산업적 파급 효과가 높은 연구에 대한 투자와 성과 보고가 가속화 되고 있다”고 전하며, “이를 위해, 우리 연구팀에서도 내과, 외과, 생물물리학, 전자공학, 화학 등 다양한 연구 배경을 가진 연구자들이 참여하였으며, 이번 연구 결과를 통해 나노 소재와 생체의 상호 작용에 대한 기초 연구는 물론, 약물 처방과 치료 과정 사이에 빠른 피드백을 통해 치료 효과를 극대화 할 수 있는 기술 개발에 기여 할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구는 교육부의 이공학개인기초연구지원사업과 보건복지부의 보건의료기술연구개발사업, 아산생명과학연구원 등의 지원을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 세계적인 학술지 어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials) 온라인 판에 7월 13일 속보로 게재되었다.
Microbots Deliver Stem Cells in the Body
Magnetically-controlled microrobots gently carry cells to hard-to-reach organs
By Emily Waltz
Posted 29 July 2018 | 13:00 GMT
The astonishing thing about stem cells is that they can be coaxed, in the laboratory, into becoming nearly any kind of cell—from bone marrow to heart muscle. That remarkable capability has for years kept scientists busy tinkering with stem cells and injecting them into animal models in an attempt to grow and replace damaged tissue.
Such scientists have received a ton of attention in that line of work. But there’s a smaller group of researchers working, to far less fanfare, on a different part of the stem cell challenge: how to deliver those cells to the body’s hard-to-reach places.
Researchers typically deliver stem cells via injection—a needle. But that method can damage healthy tissue, especially when the target is a deep brain structure, or delicate vasculature, or the inner ear.
A group out of Hong Kong announced this week that they had invented a new delivery tool using tiny, magnetically-controlled robots. The cell-carrying machines move noninvasively through the body to a target site and deliver their stem cell cargo.
The researchers, led by Dong Sun, a professor at City University of Hong Kong, demonstrated their device in zebrafish and mice, and reported their success in the journal Science Robotics.
The advance is notable because Sun and his colleagues were able to demonstrate that their robots work in animals. “It’s really uncertain how to make these tiny machines move in living organisms,” says Bradley Nelson, a microroboticist at ETH Zürich, who was not involved in the project.
Several other groups, including Nelson’s, have demonstrated cell-carrying microbot designs in computer simulations and test tubes, but “in vivo is harder,” he says.