KAIST '카이랄 나노 페인트' 기술로 항암 온열치료 효과 4배↑

염지현 교수팀, 다양한 바이오 소재에 적용 가능한 나노 페인트 기술 개발

기존보다 4배 이상 높아진 종양조직 괴사 항암 온열 치료 확보

정현정 교수팀과 함께 mRNA 치료제 효율성 극대화도 성공

[대전=뉴시스] 카이랄 나노 페인트 기술을 적용해 얻은 카이랄 자성 나노입자를 암세포에 투입한 모습. 사진 B-C는 카이랄 자성 나노입자를 유방암 마우스 모델의 종양에 주입하고 자기장을 처리한 항암 온열치료 결과로 L-카이랄성을 지닌 자성 나노입자 또는 D-카이랄성을 지닌 자성 나노입자를 활용한 경우 7일에 걸쳐 각각 11%, 46%의 종양 크기가 감소했으나 치료를 실시하지 않은 대조군(PBS)은 종양의 크기가 증가했다.(사진=KAIST 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 항암 온열치료 효과가 기존보다 4배 이상 높고 mRNA 치료제의 효율성을 극대화할 수 있는 '카이랄 나노 페인트 기술' 기반의 나노입자를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 염지현 교수팀이 바이오 나노소재의 표면에 카이랄성을 부여할 수 있는 카이랄 나노 페인트 기술을 최초로 개발했다고 19일 밝혔다.

이어 같은 대학 생명과학과 정현정 교수팀과 함께 mRNA를 전달하는 지질전달체 표면에 도입, mRNA 치료제 효율성 극대화도 성공했다. 이 연구들은 이달 각각 국제 학술지 ACS Nano와 ACS Applied Materials & Interfaces에 게재됐다.
 
카이랄성(Chirality)은 물체가 거울에 비친 모습과 겹치지 않는 성질을 의미하며 인간 몸에도 카이랄성을 가진 분자들이 특정한 방식으로 작용한다. KAIST 연구진은 이를 활용해 나노소재의 성능을 개선시켰다.

지질전달체(LNP)는 mRNA, 유전자, 약물 등의 생체물질을 감싸 세포내부로 안전하게 전달하는 나노입자로 코로나19 백신과 같은 mRNA 백신의 유전자 치료제에서 중요한 역할을 한다.

이번에 염 교수팀은 왼손잡이(L-형)와 오른손잡이(D-형) 구조를 가진 분자들이 서로 다르게 작용하는 카이랄 선택성(Chiral Selectivity)에 주목하고 나노소재의 표면에 카이랄 나노 페인트를 적용, 카이랄성을 부여하는 기술을 개발했다.
 
이를 통해 십수 나노미터(㎚) 크기의 작은 나노입자부터 수 마이크로미터 (μm) 크기의 큰 마이크로 구조체까지 다양한 크기 소재에 카이랄성을 입혔다.

또 연구팀은 카이랄 나노 페인트 기술을 활용해 카이랄 자성 나노입자를 합성하고 이를 종양에 주입한 뒤 자기장 처리로 생성되는 열을 통해 종양조직을 괴사시키는 항암 온열치료기술을 선보였다.

이 과정에서 D-카이랄성을 가진 자성 나노입자가 L-카이랄성을 가진 자성 나노입자보다 암세포에 더 많이 흡수해 4배 이상 향상된 항암 치료효과가 있음을 증명했다.

특히 암세포 내부로의 흡수효율 및 항암 치료효율의 차이가 나노입자 표면에 처리된 카이랄 나노 페인트와 세포 표면의 수용체 간 '카이랄 선택적 상호작용'에 의한 것임을 컴퓨터시뮬레이션과 세포실험을 통해 밝혀냈다.

연구진은 "카이랄 자성 나노입자를 유방암 마우스 모델의 종양에 주입하고 자기장을 처리해 항암 온열치료를 한 결과, 항암 온열치료를 실시하지 않은 대조군(PBS)은 종양의 크기가 증가한 반면 L-카이랄성을 지닌 자성 나노입자(L-IONP) 또는 D-카이랄성을 지닌 자성 나노입자(D-IONP)를 활용해 7일에 걸친 치료에선 각각 11%, 46%의 종양 크기 감소 효과를 보였다"고 설명했다.

카이랄 나노 페인트 기술은 의료용 바이오소재를 비롯해 차세대 약물전달 시스템, 바이오센서, 촉매 및 나노효소 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다.

신소재공학과 정욱진 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 지난 2일 국제 학술지 '에이씨에스 나노(ACS Nano)' 온라인판에 게재됐다.(논문명: Universal Chiral Nanopaint for Metal Oxide Biomaterials)

이어 후속 연구로 mRNA를 전달하는 지질전달체 표면에 카이랄 페인트 기술을 활용, D-카이랄성 페인트를 도입한 지질전달체를 사용해 mRNA의 세포 내 발현을 2배 이상 안정적으로 증가시켰다.

mRNA 기반 치료제는 세포 안에서 단백질을 직접 합성할 수 있도록 유전정보를 전달하는 방식이지만 전달체의 불안정성으로 인해 치료 효과가 제한적이었다. 카이랄 나노 페인트 기술은 이런 문제를 해결하며 mRNA 치료제의 효율성을 극대화할 수 있는 새로운 패러다임을 제시했다.

이 연구는 생명과학과 이주희 연구원과 신소재공학과 정욱진 박사과정 학생이 공동 1 저자로 국제 학술지 '에이씨에스 응용 재료 및 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)'에 지난 17일 게재됐다. (논문명: Chirality-controlled Lipid Nanoparticles for mRNA Delivery)

염지현 교수는 "이번 연구를 통해 바이오 나노소재의 성능을 크게 향상시키고 다양한 크기 및 모양을 가진 혁신적 나노소재 합성 방법론을 제시했다"며 "카이랄 나노소재를 활용해 암, 코로나 등 다양한 질병을 예방하는 백신부터 진단 및 치료용 차세대 바이오 플랫폼 개발을 위한 연구를 지속할 계획"이라고 말했다.


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