면역활성 나노입자와 전기자극으로 면역 항암 치료법 개발 실마리
한국연구재단(이사장 이광복)은 박우람 교수(성균관대학교, 제1저자 한준혁, 신하은), 김익환 교수(고려대학교), 한동근 교수(차의과학대학교) 공동 연구팀이 면역활성 나노입자와 비가역적 전기천공법의 병용 치료를 통한 고효율 면역 항암 치료법*을 개발했다고 밝혔다.
* 면역 항암 치료법 : 우리 몸의 면역체계를 활성화하여 암세포와 싸우게 하는 암 치료법
대식세포는 우리 몸의 선천 면역세포 중 하나로, 암세포를 잡아먹고 이를 분해해서 항원제시를 할 수 있는 매우 중요한 역할을 하는 세포이다.
대식세포의 활성화는 다른 면역세포의 활성화를 유도할 수 있어, 효과적인 면역 항암 치료를 위해서 대식세포를 활성화할 수 있는 다양한 물질 연구가 활발하다.
최근 금속이온의 일종인 ‘망간*’이 대식세포의 활성화를 유도할 수 있다는 연구결과가 보고된 바 있으나, 종양 내로 망간 이온을 직접 투여시 효과적으로 면역세포 내로 전달되지 않을 뿐더러 망간 이온이 종양 밖으로 쉽게 유출되어 독성을 유발할 수 있다는 한계점을 갖는다.
* 망간 : 망간은 우리 몸에서 발달, 생식 및 신경 등 다양한 생리학적 과정에 필요한 무기 미량 원소임
이에 연구팀은 망간 이온과 면역증강제*를 함유한 금속-페놀 네트워크 기반의 면역활성 나노입자를 개발하였다.
* 면역증강제 : 백신 제조 시 효과적인 면역 반응을 유도하기 위해 항원과 혼합하여 사용하는 물질임. 본 연구에 사용된 면역증강제는 CpG 올리고 핵산으로, 대식세포나 수지상세포의 활성화를 유도할 수 있다고 알려져 있음.
개발된 나노입자는 각각의 망간과 면역증강제보다 쉽게 대식세포 내부로 유입되어 적은 양으로도 효율적인 대식세포 활성화를 이끌었다.
또한 종양에 주입된 면역활성 나노입자는 종양 내에 오랫동안 체류할 뿐만 아니라 부작용을 발생시키지 않고 면역세포의 활성화를 유도하는 것을 동물실험을 통해 확인했다.
본 연구에서 추가로 사용된 치료기법인 비가역적 전기천공법은 강한 펄스 전기장을 이용, 암세포의 세포막에 영구적인 손상을 일으켜 사멸시키는 최신 종양 절제술이며, 현재 간암 및 췌장암 등의 고형암을 대상으로한 임상 연구가 활발히 진행되고 있다.
이는 기존 항암치료에서 널리 사용되던 고주파 온열 암치료와 비교하였을 때 주변 조직의 손상이 적다는 장점이 있다.
이러한 비가역적 전기천공법과 연구팀이 개발한 면역활성 나노입자를 병용 치료 시 생쥐 종양 모델에서 활성화된 면역세포들이 증대되어 종양 성장을 효과적으로 억제함을 확인했다.
박우람 교수는 “대학 간 활발한 공동연구를 통해 새로운 면역 항암 치료법을 제안할 수 있었다”고 전하며, “다만, 본 연구 결과가 향후 임상 등에 적용되기 위해서는 지속적인 연구를 통해 구체적인 안정성과 유효성 확립 등에 대한 실험이 필요할 것이다”라고 덧붙였다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료 및 나노 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 5월 16일 온라인 게재되었고, 표지 논문으로 선정되었다.
주요내용 설명
<작성 : 성균관대학교 박우람 교수>
논문명
Combination of Metal-Phenolic Network-based Immunoactive Nanoparticles and Bipolar Irreversible Electroporation for Effective Cancer Immunotherapy
저널명
Small
키워드
Nanoparticles, Cancer immunotherapy, Irreversible electroporation, Metal-phenolic network, Combination therapy
DOI
https://doi.org/10.1002/smll.202200316
저 자
박우람 교수(교신저자/성균관대학교), 김익환 교수(교신저자/고려대학교), 한동근 교수(교신저자/차의과학대학교), 한준혁 박사과정(제1저자/고려대학교, 성균관대학교), 신하은 박사과정(제1저자/성균관대학교), 이지영 석사과정(참여저자/저장대학교), 강전민 연구원(참여저자/아산병원), 박정훈 박사(참여저자/아산병원), 박천권 교수(참여저자/성균관대학교)
1. 연구의 필요성
○ 면역 항암 치료법은 면역체계를 활성화시켜 암세포와 싸우게 하는 암 치료법으로 1세대 화학항암제, 2세대 표적항암제에 이은 3세대 항암 치료법이다. 면역 항암 치료법은 기존 항암치료법과 비교하여 암 환자의 장기간 생존과 암의 재발, 전이에 효과를 보인다. 하지만 면역 항암 치료법에 따른 과도한 생체 내 면역 활성으로 인한 부작용을 유발할 수 있다. 또한 환자 및 종양에 따라 면역 항암치료제에 대한 치료 효능이 천차만별이므로 이를 극복할 수 있는 다양한 병용 치료 전략이 개발되고 있다.
○ 면역세포의 효율적인 활성화를 위하여 다양한 생체재료가 사용되고 있다. 특히 나노입자에 기반한 면역증강제를 이용하여 면역세포를 활성화 시키는 연구가 활발히 진행되고 있다.
○ 비가역적 전기천공법은 펄스 전기장을 이용하여 암세포의 세포막에 나노미터 크기를 갖는 영구적인 공극을 형성해 암세포의 사멸을 유도하는 종양 절제술의 일종이다. 최근, 비가역적 전기천공법는 암세포에서 손상-연관 분자패턴(damage-associated molecular pattern)의 발현을 통해 면역원성세포사멸(immunogenic cell death)를 유도하고 종양 내 침투된 호중성 과립구를 증가시켜 면역 항암 치료의 효과를 향상시킬 수 있다고 보고된 바 있다.
2. 연구내용
○ 최근에 면역항암 치료법에서 금속 이온에 의한 면역세포의 활성화가 주목받고 있다. 본 연구를 통해 다양한 금속 이온들(망간, 아연, 알루미늄, 칼슘, 및 철)의 면역세포의 활성화 정도를 살펴보았다. 특히 망간은 항원제시세포에서 1형 인터페론(type 1 IFN)을 분비해 면역 항암 반응을 유도하였다. 이 연구 결과를 기반으로 본 연구에서는 망간과 폴리페놀의 일종인 타닌산(tannic acid)을 기반으로 면역활성 나노입자를 개발하였다. 타닌산은 금속 이온과 가역적으로 결합할 수 있는 능력이 있어 금속 페놀 네트워크를 형성할 수 있다.
○ 추가로 합성된 금속-페놀 네트워크 나노입자 표면에 항원제시세포의 활성화를 유도하는 CpG 올리고 핵산을 부착하여 면역활성 나노입자를 완성하였다. 면역활성 나노입자는 항원제시세포에서 type 1 IFN과 염증성 사이토카인의 동시 방출을 유도하였다.
○ 개발된 면역활성 나노입자는 망간 이온 및 CpG 올리고 핵산과 비교했을 때 항원제시세포에 쉽게 내재화되어 적은 양으로도 면역세포의 활성화를 유도하였다. 또한 동물실험에서 종양 내 투여 후 CpG 올리고 핵산보다 더 오랜 시간 동안 종양에 체류하여 전신 부작용을 최소화했다.
○ 면역활성 나노입자와 비가역적 전기천공법의 병용치료법은 종양 성장을 효과적으로 억제했으며 생존율을 크게 향상시켰다. 흥미롭게도 비가역적 전기천공법은 암세포의 사멸과 대식세포의 투과를 증진시켰다. 이는 비가역적 전기천공법에 의해 종양내 침윤된 대식세포가 나노입자에 의해 활성화되어 보다 효과적인 면역 항암 치료능을 유도하였음을 의미한다.
3. 연구성과/기대효과
○ 이 연구는 금속 이온을 함유한 나노입자와 선천성 면역체계의 상호작용을 이해하는데 기여할 수 있을 것이다. 향후 다양한 금속 이온을 함유한 면역활성 나노입자가 차세대 면역항암 치료제로 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 면역활성 나노입자와 비가역적 전기천공법의 병용치료에 기반한 고효율 면역 세포 활성화 기술은 다양한 난치성 종양치료에 응용 가능성이 크다.
(그림1) 면역활성 나노입자와 비가역적 전기천공법의 병용을 통한 면역 항암치료
비가역적 전기천공법은 종양세포를 사멸시키고 종양연관항원(Tumor-assosicated antigen)과 손상-연관 분자패턴(damage-associated molecular pattern)을 방출한다. 방출된 종양연관항원과 손상-연관 분자패턴은 면역세포를 활성화시킨다.
면역활성 나노입자는 대식세포의 활성화를 유도한다. 면역활성 나노입자에 의해 활성화된 항원제시세포는 1형 인터페론(type 1 IFN)과 전염증성 사이토카인(proinflammatory cytokine)의 방출을 유도하여 다른 면역세포의 활성화와 더불어 효과적인 항종양 면역 반응을 이끈다.
그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 박우람 교수
(그림2) 망간 이온과 타닌산을 이용한 면역활성 나노입자 합성 모식도
망간 이온과 폴리페놀의 일종인 탄닌산의 갈롤 그룹은 pH에 따라 배위 결합의 비율이 달라진다. 높은 pH에서 망간 이온 한 개당 두 개의 갈롤 그룹과 반응한다. 이에 따라 망간 이온과 탄닌산은 금속 페놀 네트워크(metal-phenolic network)를 형성한다. 형성된 망간-타닌산 나노입자의 표면에 존재하는 탄닌산의 갈롤 그룹은 CpG 올리고 핵산과 수소 결합을 통해 결합할 수 있다.
그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 박우람 교수
(그림3) 면역활성 나노입자에 의한 면역세포 활성화 및 비가역적 전기천공법에 의한 암세포 사멸 효과
a) 주사전자 현미경을 이용한 면역활성 나노입자의 형태 및 크기 분석. 면역활성 나노입자는 약 50 nm 크기로 합성되었다. b) 면역활성 나노입자에 의한 대식세포의 표면마커 및 전염증성 사이토카인 변화 측정. CpG 올리고 핵산과 망간 이온의 단독 사용보다 효과적으로 대식세포의 활성화를 유도할 수 있다. c) 비가역적 전기천공법에 의한 암세포 사멸 및 손상연관 분자패턴(damage-associated molecular pattern) 측정. 비가역적 전기천공법은 효과적으로 암세포를 사멸시킬 뿐만 아니라 손상연관 분자패턴의 방출도 유도할 수 있다. d) 종양치료 후 생존율 평가. 면역활성 나노입자와 비가역적 전기천공법의 병용치료그룹이 다른 치료보다 종양성장을 효과적으로 억제하여 장기간 생존율을 보인다.
그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 박우람 교수
연구 이야기
<작성 : 성균관대학교 박우람 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
이번 연구는 금속 이온이 면역세포의 활성화를 유도할 수 있다는 연구결과를 접하고 ‘금속이온을 함유한 나노입자가 보다 효과적으로 면역세포의 활성화를 유도할 수 있지 않을까?’ 하는 물음에서 시작되었다. 다양한 금속 이온이 항암 면역체계를 활성화할 수 있다고 알려져 있었으나 생체 내로 직접 금속 이온을 투여할시, 금속 이온 자체만으로는 면역 활성을 효과적으로 유도하지 못할 뿐만 아니라 부작용을 초래할 수 있다. 이러한 한계점을 나노입자의 특성을 이용하여 우리가 해결할 수 있을 것이라 생각하여 본 연구를 진행하였다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
금속 이온을 나노입자에 함유시켜 항암 면역세포의 활성화를 유도하는 연구는 기존에 보고된 사례가 거의 없었다. 나노입자 형태로 금속 이온을 면역세포에 전달했을 때, 효과적으로 세포 내에 전달되고 면역세포를 활성화할 수 있다는 가정이 옳은가에 대한 걱정이 컸다. 또한 비가역적 전기천공법과 나노입자를 이용하여 면역 항암치료를 시도한 보고가 많지 않았기 때문에, 비가역적 전기천공법과 나노입자의 병용 치료의 적절한 조건을 설정하는 것이 무척 어려웠다. 특히 동물에서 본 병용치료의 면역 항암치료 효과를 확인하기 위해서 새로운 면역학적 분석 방법을 도입하는 과정에서 어려움이 있었으나, 다학제적인 공동연구를 통해 교수님들과 연구원들의 도움으로 실험을 성공적으로 마무리할 수 있었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
효과적인 면역 항암 치료를 위해 면역세포를 활성화하기 위한 나노입자로 CpG 올리고 핵산이 부착된 나노입자의 개발이 활발하게 이루어졌다. 하지만 보다 효율적으로 면역세포를 활성화하기 위해서는 CpG 올리고 핵산에서 분비되는 항염증성 사이토카인 뿐만이니라 1형 인터페론의 발현이 필요로 하다. 이번 연구는 금속(망간)을 포함하는 나노입자를 이용해 면역세포의 다른 두 가지 활성화 경로를 자극하여 기존에 개발된 나노입자보다 보다 더 효과적인 면역세포 활성화를 유도했다. 또한 본 연구를 수행하는 과정에서 비가역적 전기천공법을 통해 종양내 대식세포의 침윤이 증가함을 확인하였다. 면역활성 나노입자와 비가역적 전기천공법의 병용은 향후 다양한 난치성 암치료에 활용될 수 있을 것이라 기대된다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
이번 연구로 개발된 나노입자는 망간, 타닌산, CpG 올리고 핵산으로 구성되어 있다. 망간은 생체 내에 존재하며 주로 뼈의 성장과 재생, 혈당 조절, 항산화 물질생성 등 다양한 역할을 수행한다. 타닌산은 식물계에서 매우 넓게 분포하며, 생체 내에서 살균, 지혈, 해독 등 다양한 역할을 할 수 있다. 본 연구에서 활용한 면역활성 나노입자는 생체적합한 물질들로 구성되었지만 향후 임상에 적용되기 위해서는 보다 구체적인 안전성과 유효성 평가가 필요할 것으로 사료된다. 또한 면역활성 나노입자를 우수 의약품 제조관리 기준에 따라 대량 생산하기 위해서는 추가적인 최적화 과정이 필요할 것이다.
의학약학 한국연구재단 (2022-06-13)