1. 빛에 의해 제어되는 암 표적형 스마트 금나노캡슐 (ACS Nano)

- 빛을 이용한 원격제어로 열과 활성산소종을 동시에 발생시켜 생체내 암세포를 선택적으로 제거하는 스마트 금나노캡슐을 세계 최초로 개발하고 그 작동 원리를 규명

기존의 암 치료에 사용되고 있는 대표적인 치료법인 항암화학요법과 방사선 요법, 광역동치료 등의 제한적 치료효과와 치명적인 부작용 문제를 해결하기 위해, 최근 나노기술기반 의약품(나노의약품)을 이용한 항암치료 요법이 부각되면서 기존의 치료 요법들을 대체할 것으로 기대되고 있다. 하지만, 생체 내 간을 비롯한 정상조직으로의 축적으로 인해 부작용이 유발될 수 있으며, 특히 광역동치료의 경우, 사용되는 광감각제가 정상조직에 잔존하여 직사광선에 의해 활성화되기 때문에 극심한 부작용이 발생할 수 있어 치료 과정 동안에 암실에서 생활해야 하는 불편함이 따랐다.

광열치료는 근적외선에 의해 열이 발생되는 광열소재를 이용하여 암세포들을 괴사시키는 치료기술로, 수술이나 화학치료법을 사용할 때 발생하는 고통과 부작용을 줄일 수 있어 최근 새로운 치료기술로 주목을 받고 있다. 그러나 종양 부위로의 광열소재의 정확한 전달이 어려워 정작 의료현장에서는 광열치료법을 활용하기 어려운 실정이다.

체내의 종양 부위를 능동적으로 표적 할 수 있는 안정한 나노크기의 광열소재를 이용하여, 빛에 의해 선택적으로 암 조직에서만 활성산소종을 발생시킬 수 있을 경우, 기존 나노의약품의 한계를 극복한 새로운 치료법의 개발이 가능하다. 

따라서, 본 연구팀은 기존 광역동치료의 한계를 극복하고 종양 부위에서의 광열치료를 동시에 가능케하기 위하여, 빛에 의해 원격 제어되어 광열치료 및 광역동치료를 통해 종양을 완벽히 치료할 수 있는 금/히알루론산 나노입자기반의 나노캡슐을 개발하였다. 체내의 정상조직에 잔존하고 있는 광감각제가 가시광선에 의해 활성화 됨에 따라 여러 부작용과 불편을 유발했던 기존 치료요법과 달리, 본 연구는 빛에 감응하여 원격으로 광열효과 및 활성산소종 발생을 유도하는 금나노캡슐을 이용하였다. 이러한 금나노캡슐은 체내의 종양부위를 능동적으로 감지하고, 외부의 빛에 감응하여 광열효과 및 그로 인해 증가된 활성산소종 발생을 통해 종양만을 공격함으로써 기존 치료요법들의 한계를 극복하고 획기적인 항암치료효능을 보이는데 성공했다. 

본 연구의 금나노캡슐은 생체적합성과 암표적성이 뛰어난 히알루론산 기반 나노입자에 금이 도포된 형태로서 캡슐의 안정성을 증가시켜 무분별한 광감각제의 방출을 억제하였으며, 체내에 투여 시 안정성이 우수하고 암 조직을 능동적으로 탐지할 수 있음을 종양 동물모델을 통해 확인하였으며, 빛에 반응하여 도포된 금이 선택적으로 붕괴되어짐을 통해 내부의 광감각제가 방출됨을 관찰하였다. 이상의 결과로부터, 외과적 수술이나 부작용이 심한 항암제등을 대신하여, 금나노캡슐을 주사 한 후 빛을 이용하여 암 조직을 선택적으로 제거할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구 결과는 세계적인 학술지 ACS Nano 11월 16일자에 온라인 게재되었다.
*논문명 : Gold-Nanoclustered Hyaluronan Nano-Assemblies for Photothermally Maneuvered Photodynamic Tumor Ablation
*연구팀 : 박재형(교신저자, 성균관대 교수), 한화승(제1 공동저자, 성균관대 석박통합과정), 최기영(제1 공동저자, 성균관대 연구교수), 이한상 (공저자, 성균관대 석박통합과정), 이민창(공저자, 성균관대 석박통합과정), 안재윤(공저자, 석박통합과정), 신솔(공저자, 성균관대 학부과정), 권승리(공저자, 성균관대 박사후연구원), 이두성(공저자, 성균관대 교수). 

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암으로 인한 사망률을 낮추기 위해 최근 기존의 외과적 수술, 화학 항암 요법, 광역동치료 등의 종양 치료 요법이 가지는 부작용 및 한계를 극복하기 위한 연구가 전 세계적으로 시도되고 있다. 광역동치료는 빛에 의해 활성화된 광감각제가 활성산소종을 발생시켜 종양을 치료하는 기술로 부작용이 거의 없고 뛰어난 종양 치료효과를 나타내는 기술이다. 그러나 빛은 체내 침투율이 낮기 때문에 신체 내 주요장기에 위치한 종양의 치료에는 한계가 있어 간, 췌장, 신장 등 신체 내 깊숙한 곳에 위치한 종양의 치료에는 적용이 불가능하다. 초음파장비는 체내 깊숙한 곳에 도달할 수 있는 초음파를 이용하여 질병을 진단하는 장비로서, 전 세계적으로 가장 많이 보급된 진단 장비이다. 따라서, 초음파에 의해 활성산소종을 발생시킬 수 있으며 암 표적성이 우수한 나노소재가 개발될 경우 기존 광역동치료의 한계를 극복한 새로운 치료법의 개발이 가능하다.

따라서 본 연구팀은 인체 투과도가 낮은 빛을 이용하는 광역동치료기술의 한계를 극복하기 위하여 초음파 자극에 의해 원격제어 되어 활성산소종을 발생하는 생체적합성 금/티타늄 기반의 나노로봇을 개발하여 초음파역동치료에 적용하였다. 초음파에 의한 활성산소종 발생효율이 낮은 광감각제를 사용했던 기존연구와 달리 티타늄 나노입자에 금 나노입자가 도입한 스마트 나노로봇을 이용하여 초음파 자극 시 활성산소종을 폭발적으로 발생시키며, 초음파 자극에 원격제어되어 종양만을 공격함으로써 기존 종양치료의 부작용을 현저히 감소시키고 치료효능을 획기적으로 개선시키는데 성공했다. 

이 연구의 스마트 나노로봇은 생체적합성이 우수한 고분자로 표면개질되어 정맥주사를 통해 투여 시 암 조직을 탐지하여 선택적으로 도달할 수 있는 능력이 매우 우수함을 확인하였다. 따라서 인체 적용 시 외과적 수술이나 부작용이 심한 항암제등을 사용할 필요 없이 나노로봇을 정맥 주사한 후 간단한 초음파 처리를 통해 암 조직을 효과적으로 제거할 수 있을 것으로 기대된다. 

본 연구 결과는 국제적 권위의 학술지인 NANO letters 10월 12일자에 게재되었다.
*논문명 : Long-Circulating Au-TiO2 Nanocomposite as a Sonosensitizer for ROS-Mediated Eradication of Cancer
*연구팀 : 박재형(교신저자, 성균관대 교수), V. G. Deepagan (제1 공동저자, 성균관대 박사후연구원), 유동길(제1 공동저자, 성균관대 박사과정), 엄우람(공저자, 성균관대 박사과정), 고혜원(공저자, 성균관대 박사과정), 권승리(공저자, 성균관대 박사후연구원), 최기영(공저자, 성균관대 연구교수), 이기라(공저자, 성균관대 교수), 이준영(공저자, 성균관대 교수), 이두성 (공저자, 성균관대 교수), 김광명(공저자, 한국과학기술연구원 책임연구원), 권익찬(공저자, 한국과학기술연구원 책임연구원) 

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