위치 영상화가 가능한 약물 전달체 기술 개발
KAIST는 생명화학공학과 박현규 교수 연구팀이 중앙대 화학과 박태정 교수, 가천대 바이오나노학과 김문일 교수와의 공동 연구를 통해 중금속 흡착 단백질을 이용한 금속 나노입자 고효율 생합성 기술을 개발하고, 이를 이용해 위치 영상화가 가능한 약물 전달체를 개발했다고 7일 밝혔다.
KAIST 생명화학공학과 졸업생 김문일 박사(現 가천대 교수), 중앙대 박찬영 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 미국화학회가 발행하는 국제 학술지 ‘ACS 어플라이드 머터리얼즈 앤 인터페이시스(Applied Materials and Interfaces)’ 2021년도 13호 표지 논문으로 선정됐다. (논문명: In situ biosynthesis of a metal nanoparticle encapsulated in alginate gel for imageable drug-delivery system, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c02286)
현재 금속 나노입자의 합성에 주로 사용되고 있는 물리화학적 방법은 독성이 있는 환원제, 계면활성제 및 유기 용매의 이용이 필요해 약물전달체 등 생체 내에 사용하기 어려운 단점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해 환원력이 우수한 단백질을 미생물 내에 과발현해 금속 나노입자를 생합성하는 기술이 개발됐으나, 이 방법은 미생물이 받아들일 수 있는 금속 전구체의 종류 및 농도가 제한된다는 단점이 있다.
연구팀은 이러한 현행 기술의 한계를 극복하기 위해, 대장균에 중금속 흡착 단백질을 발현하는 플라스미드를 형질 전환해 단백질을 과발현한 후 이를 알지네이트 젤에 포집해 그 활성을 안정화하는 기술을 개발했다. 중금속 흡착 단백질을 포집한 알지네이트 젤은 다양한 종류의 금속 이온을 30분 이내로 빠르게 고농도로 흡착 및 환원시켜 금, 은, 자성 및 양자점 나노입자 등 다양한 종류의 금속 나노입자를 알지네이트 젤 내부에 고농도로 생합성하는 데 효과적으로 활용됐다.
특히, 연구팀은 항암제 등 약물과 중금속 흡착 단백질을 알지네이트 젤에 동시에 포집한 후 높은 형광을 나타내는 양자점 나노입자를 젤 내부에 합성함으로써 형광을 통해 위치의 추적 및 영상화가 가능하고 약물의 서방형 방출이 가능한 다기능 약물 전달체를 개발하는 데 성공했다.
☞ 서방형(sustained release): 약물 등이 장시간에 걸쳐 서서히 방출되는 형태
연구팀은 항암제와 녹색 형광을 보이는 카드뮴 셀레나이드 (CdSe) 및 파란색 형광을 보이는 유로피움 셀레나이드 (EuSe)로 이루어진 양자점을 동시에 포집한 약물 전달체를 마우스에 경구로 주입한 후, 이 약물 전달체의 위치를 생체 내에서 추적 및 영상화할 수 있음을 확인했다.
박현규 교수는 “이번 연구에서 개발된 중금속 흡착 단백질을 포집한 알지네이트 젤은 독성 물질 없이, 고속·고농도로 다양한 금속 나노입자를 생합성할 수 있고 동시에 약물의 서방형 방출이 가능하기 때문에, 향후 위치 추적이 가능한 약물 전달체 등에 응용될 수 있다”고 이번 연구의 의의를 설명했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 중견연구자지원사업의 일환으로 수행되었다.
□ 연구개요
1. 연구 배경
나노미터 스케일의 금속 입자들은 독특한 물리화학적 성질을 보이기 때문에 다양한 분야에의 응용이 각광을 받고 있다. 특히 생물학적으로 센싱, 치료 및 약물전달 등을 위한 소재로서 주목받고 있다. 그러나 현재 금속나노입자의 합성에 주로 사용되고 있는 물리화학적 방법은 독성이 있는 환원제, 계면활성제 및 유기 용매의 이용이 필요하기 때문에, 생체 내에 사용하기 어려운 단점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해 phytochelain 및 metallothionein과 같은 중금속과 결합하고 환원력이 우수한 단백질을 미생물 내에 과발현하여 금속나노입자를 생합성하는 기술이 개발되었다. 그러나 이 방법은 미생물이 받아들일 수 있는 금속 전구체의 종류 및 그 농도가 제한되기 때문에, 고농도/고속 합성이 어렵다는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 현행 기술의 한계를 극복하기 위해서, 중금속 흡착 단백질을 재조합 대장균 내에 과발현한 후, 이를 세포 외에서 고정화시켜 고농도/고속 금속나노입자 합성이 가능한 세포외 반응기를 개발하고, 이를 이용한 다기능 약물전달체를 개발하고자 하였다.
2. 연구 내용
대장균에 중금속 흡착 단백질을 발현하는 플라스미드를 형질 전환시켜, 단백질을 과발현한 후, 이를 알지네이트 젤에 이온교환 방식을 통해 포집하여 그 활성을 안정화하는 기술을 개발하였다. 중금속 흡착 단백질을 포집한 알지네이트 젤은 자외선이 조사되는 환경 하에서, 다양한 종류의 금속 이온을 빠르게 (<30분) 고농도로 흡착 및 환원시켜 금, 은, 자성 및 양자점 나노입자 등 다양한 종류의 금속나노입자를 알지네이트 젤 내부에 고농도로 생합성하는 데 효과적으로 활용되었다.
특히, 항암제 등 약물과 중금속 흡착 단백질을 알지네이트 젤에 동시에 포집한 후, 금속 이온과 상온에서 30분 반응시키는 방법을 통해, 금속나노입자와 약물이 동시에 포집된 알지네이트 젤을 만을 수 있었다. 알지네이트 젤은 산성 pH 환경에서는 구조를 유지하지만, 중성 pH 환경에서 구조가 분해되는 특징을 가지고 있어서 경구용 약물전달체로서 많이 사용되는 물질이다. 연구를 통해 개발된, 약물과 금속나노입자를 동시에 포집한 알지네이트 젤에서도 약물이 산성 pH에서는 방출되지 않고, 중성 pH에서는 시간에 따라 서방형으로 방출되는 것을 확인하였다.
연구팀은 위 결과에 기반하여 높은 형광을 나타내는 양자점 나노입자를 젤 내부에 합성함으로써, 형광을 통해 위치의 추적 및 영상화가 가능하고 약물의 서방형 방출이 가능한 다기능 약물전달체를 개발하였다. 즉, 항암제와 CdSe 및 EuSe 양자점을 동시에 포집한 알지네이트 젤을 개발하여, 약물의 서방형 방출과 함계 양자점의 높은 형광 특성을 이용한 위치 추적이 가능한 다기능 약물전달체를 개발하였다. 위 약물전달체를 실험용 마우스에 경구로 주입한 후, 시간에 따라 약물전달체의 위치를 생체 내에서 추적 및 영상화할 수 있음을 확인하였다.
3. 기대 효과
금속나노입자를 안전하게 효율적으로 합성하는 기술은 다양한 산업 분야에서 필수적으로 요구되고 있다. 기존의 물리화학적 및 미생물 내에서 진행되는 생물학적 방식과는 달리, 중금속 흡착 단백질을 효과적으로 포집한 알지네이트 젤 기반 세포외 반응기는, 추가적인 환원제 등이 필요치 않고 고속/고농도 합성이 가능한 금속나노입자 생합성 기술로 자리매김하리라 기대된다. 또한 알지네이트 젤 내부에 광학적 특성을 가진 양자점 나노입자와 약물을 동시에 포집하게 되면, 위치 추적 및 영상화가 가능하며 약물의 방출 패턴을 조절할 수 있는 다기능성 약물전달체 개발이 가능하다. 이를 기반으로 생체 내에서의 독성 및 거동의 면밀한 분석을 통해 실제 현장에서 활용 가능한 약물전달체로 응용되리라 기대된다.
의학약학 KAIST (2021-09-07)