병원성 세균만 골라 활성산소 폭탄 터뜨리는 항생 나노로봇-전기자극 반응에 활성산소 발생...내성발생 없는 제균 실마리 될까?

병원성 세균만 골라 활성산소 폭탄 터뜨리는 항생 나노로봇-전기자극 반응에 활성산소 발생...내성발생 없는 제균 실마리 될까?

 

등록일2021.04.14.

 

 

 

병원성 세균만 골라 활성산소폭탄 터뜨리는 항생 나노로봇  

전기자극 반응에 활성산소 발생...내성발생 없는 제균 실마리 될까?

 

 

 

□ 인류의 생존을 위협하는 위험 가운데 하나인 항생제 내성박테리아에 대항하여 활성산소로 박테리아만 죽이는 나노로봇이 개발됐다. 

 ○ 내성발생이 필연적으로 발생하는 기존 항생제의 제균(除菌) 방식과다른 새로운 방식을 적용, 내성으로부터 자유로운 감염치료제 개발의 실마리가 될 것으로 기대된다. 

  ※ 항생제 내성 : 항생제가 무력화되는 현상. 주로 항생제에 노출된 세균 가운데 돌연변이를 통해 항생제의 표적이 되는 단백질을 변형시키면서 나타나는 것으로 알려져 있다. 

 

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 김경규 교수(성균관대 의학과) 연구팀(Chaurasia박사, Batool박사)이 이정헌(성균관대 신소재공학부), 유상렬(서울대학교 식품공학과) 연구팀과 함께 황색포도상구균에 선택적으로 결합, 외부 전기신호에 반응하여 활성산소를 발생시켜, 제균을 유도하는 20nm 크기의 나노로봇을 개발했다고 밝혔다.

     ※ 활성산소 : 활성이 크고 불안정하며 높은 에너지를 갖고 있는 산소

 

□ 실제 연구팀이 피하조직에 내성 황색포도상구균이 감염된 봉와직염 생쥐모델에 나노로봇을 주입하고 전기신호를 가하자, 감염균이 빠르게 사멸되고 염증이 사라지는 것을 관찰하였다. 

 ○ 황색포도상구균에 감염된 대식세포(동물) 배양액에 나노로봇을 첨가하고 전류를 흘리면, 세균의 세포벽에 결합한 나노로봇이 전기자극에 반응하여 활성산소를 발생, 세포막을 파괴하는 것을 공초점현미경을 통해 확인하였다. 

 

□ 핵심은 동물세포에 붙지 않고 세균에만 달라붙고, 원하는 때에 활성산소를 발생하는 나노로봇을 설계했다는 것이다. 

 ○ 세균에 대한 선택성은 박테리오파지가 세균에 기생할 때 필요한 도킹 단백질(엔도라이신)을 철 나노입자에 코팅하여 확보하였다.

 ○ 전기자극을 통해 철 나노입자로부터 활성산소 발생을 유도하여  세균사멸의 시간적인 선택성을 부여했다. 

 

□ 기존 항생제는 세균이 가진 단백질을 표적하기 때문에 표적 단백질에 돌연변이를 갖는 세균이 적응과정에서 살아남아 필연적으로 내성균이 발생한다. 

 ○ 세균의 세포막에 결합하여 세포막을 손상시키는 기전의 항생제가 있었지만 세포막이 변형된 내성균 발생을 피할 수 없었다.  

 ○ 반면 활성산소에 의한 세포막 손상은 단순한 유전자 돌연변이에 의해 극복할 수 없어 내성균이 발생할 가능성이 매우 낮다. 

 

□ 항생나노로봇은 철나노입자를 실리콘 및 단백질로 코팅하는 한편, 피부미용에 사용되는 낮은 에너지의 전기자극으로 나노로봇을 구동할 수 있도록 해 임상적용 가능성이 높다는 설명이다. 

 ○ 동물모델에서의 이번 연구가 실용화되려면 생체적합 소재 및 구동방법 최적화 등을 통한 안전성 입증 등이 필요하다. 

 

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오‧의료기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 나노의학 분야 국제학술지 스몰(Small)에 4월 10일(온라인) 게재되었다.

 

주요내용 설명

 

 

논문명

An Antibacterial Nanorobotic Approach for the Specific Targeting and Removal of Multiple Drug‐Resistant Staphylococcus aureus 

저널명 

SMALL

키워드 

Antimicrobial Resistance (항생제내성), Nanorobot(나노로봇), Staphylococcus aureus (황색포도상구균),  Cellulitis(봉와직염), Ironoxide(산화철) 

저  자

김경규 교수(교신저자/성균관대학교), 이정헌 (교신저자/성균관대학교) 아킬리쉬 차우라시아 (AkhileshK.Chaurasia) 박사(교신저자/성균관대학교), 나얍바뚤 (Nayab Batool) 박사 (제 1저자/성균관대학교)

 

 <작성 : 성균관대학교 의학과 김경규 교수>

1. 연구의 필요성

 ○ 항생제 내성은 현재 가장 심각한 문제 중 하나로서, 균이 어떠한 항생제의 사용에도 듣지 않게 되는 현상이다. 항생제 내성이 나타나면 여러 균에 의한 질병 뿐 아니라 병원에서의 수술을 할 경우 발생하는 감염균에 의한 감염을 동반하는 단순 찰과상까지 생명을 위협하는 질병으로 발전한다. 영국의회보고서(O'Neill Report)에 의하면 2050년에는 내성균에 의한 사망자가 연간 1천만 명에 이르게 될 것이라고 예상하고 있다. 

 ○ 항생제 내성은 인류의 생존을 위협하는 10가지 위험 (스웨덴 GCF 2018년 보고서) 중 하나로써 해결책이 반드시 필요하다. 특히 코로나19 감염 치료 과정에서 항생제 내성이 급격히 증가할 수 있다는 보고 (WHO, 2020)로 코로나 팬데믹에 의해 항생제 내성균의 심각성이 더욱 커질 가능성이 시사되었기에 내성균 감염을 치료할 수 있는 항생제 개발이 시급한 상황이다. 

 ○ 특히 코로나 치료과정에서 폐 감염 치료를 위한 항생제 치료가 병행될 경우 새로운 내성 박테리아의 발생이 용이한 환경이 만들어지기 때문에 코로나 팬데믹에 의한 내성균 증가가 심각한 문제로 대두되고 있다.  

 ○ 항생제 내성은 균이 항생 물질에 의하여 압박을 받을 때 돌연변이나 기타 유전자 차원에서 내성을 지닌 극소수의 개체가 살아남고, 세대를 거치면서 개체 수가 증폭, 결국 항생제 내성균으로 발전하는 자연적인 현상이다. 

 ○ 따라서 균을 죽이는 항생 물질은 필연적으로 내성을 유발한다. 이에 항생제 내성을 극복할 수 있는 새로운 치료법이 다양하게 연구되고 있지만 아직 실용화에는 이르지 못하고 있는 실정이다.

 ○ 본 연구팀은 항생제내성치료제 연구소를 중심으로 항생제 내성을 극복하기 위한 다양한 연구를 수행 중에 있다. 2018년에는 미국 인디애나대학교 연구팀, 영국 사우스햄턴 연구팀과의 공동연구를 통해, 대표적인 내성균 중에 하나인 황색포도상구균을 직접 죽이지 않고 독성만을 저해하는 물질을 신선초에서 발굴하여 이 물질을 내성을 유발하지 않는 신개념의 항생제로 개발할 수 있다는 결과를 발표한 적 있다 (Scientific Reports 2018, Journal of Medicinal Chemistry 2018). 본 연구에서는 또 다른 작용기전의 박테리아 감염 치료법을 제시하였다. 

 

2. 연구내용 

 ○ 내성균에 결합하면서 외부 자극에 반응하여 박테리아를 사멸시킬 수 있는 항생나노봇을 만들기 위해 산화철 나노입자를 합성하고, 이 나노입자를 황색포도상구균에 선택적으로 결합할 수 있는 엔도라이신이라는 단백질로 코팅하였다 (그림 1-1). 

 ○ 제작된 나노봇이 사람 세포나 다른 박테리아에는 결합하지 않고 오직  황색포도상구균에만 결합한다는 사실을 형광물질이 결합된 나노봇을 이용한 현미경 관찰을 통해 확인하였다 (그림 1-2) 

 ○ 항생나노봇의 활성을 확인하기 위해 황색포도상구균을 동물의 대식세포에 감염시킨 후, 나노봇을 처리하고 라디오 파장(Radio Frequency)을 갖는 교류전류를 가하였다. 박테리아 표면에 붙은 나노봇은 전기자극에 반응하여 활성산소를 만들어 박테리아 세포막을 파괴시킴으로써 박테리아를 사멸시켰다. (그림 1-3)

 ○ 연구팀은 마지막으로 황색포도상구균을 쥐의 피하조직에 감염시켜 봉와직염 동물모델을 만들고, 여기에 항생나노봇을 주입한 후 라디오파 전류를 가하게 되면 박테리아 감염이 치유되는 것을 확인함으로써, 항생나노봇을 이용한 박테리아 피부감염 치료 가능성을 검증하였다. (그림 1-4).

 

3. 연구성과/기대효과

 ○ 본 연구는 내성 세균을 제거할 수 있는 새로운 전략을 제안하였다는 차원에서 항생제 내성 극복을 위한 중요한 전환점을 마련하였다고 평가된다. 본 연구에서 증명한 원리를 실제 임상에서 적용할 수 있다면 내성균 감염 치료뿐 아니라, 내성이 발생하지 않게 박테리아 감염을 치료할 수 있으리라 기대된다. 

 

그림 설명

 

 

(그림 1) 항생나노봇 합성 및 항생제 내성균 감염 생쥐모델 이용한 효과 검증 모식도 

 

(1) 항생나노봇 합성 : 산화철나노입자에 엔도라이신을 코팅, 황색포도상구균에 선택적 으로 결합할 수 있음. 

(2) 내성균 인식 : 항생나노봇 센서는 황색포도상 구균만을 선택적으로 인식함. 

(3) 내성균 사멸 : 항생나노봇은 박테리아 표면에 결합한 후 외부 전기신호를 받아 활성산소를 발생하여 박테리아의 세포막을 파괴함으로써 박테리아를 사멸시킴. 

(4) 봉와직염 동물모델을 통해 항생나노봇의 내성균 감염 치료 가능성을 증명함.

 

그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 김경규 (교수)

 

    

 

(그림 2) 항생나노봇을 이용한 내성황색포도상구균 사멸 검증(생쥐모델) 모식도 

산화철 나노입자와 엔도라이신이 결합된 항생나노봇을 봉와직염 동물모델에 주입하고 전기자극을 줌으로써 감염균을 99%이상 사멸시킬 수 있음을 확인하였음.

그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 김경규 (교수)

 

 

연구 이야기

 

                                       <작성 : 성균관대학교 교수 김경규>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

 

내성균 문제는 점차 커져가고 있고 곧 암에 의한 영향을 추월할 것으로 예상되지만 이를 막기 위한 연구는 지지부진한 상태입니다. 내성균 문제는 감염질환 치료를 항생제 개발 이전의 상태로 되돌릴 수도 있는 매우 심각한 문제입니다. 내성균 발생은 항생물질에 대한 균의 진화 과정의 산물로 자연적 과정이기 때문에 ,균을 직접 죽이는 어떠한 효과적인 항생물질도 내성 발생은 피할 수 없습니다. 따라서 이를 해결하기 위해서는 새로운 기전의 항생제를 개발해야 합니다. 

연구팀은 현재 사용 중인 항생제가 세균의 생장에 관여하는 주요 단백질의 활성을 저해하여 세균을 죽이기 때문에 이러한 단백질의 돌연변이에 의해 내성균이 발생한다는 점에 착안하여,  물리적인 힘으로 세균 막을 파괴하는 방식이 내성균 발생 가능성이 적을 것이라 가정하고, 이를 확인하기 위해 내성균에 선택적으로 결합하여 외부 전기신호를 받아 균을 사멸시키는 항생나노로봇을 만들었습니다. 이러한 항생나노봇의 치료효과를 세포실험을 통해 확인 한 후, 봉와직염과 같은 피부감염증을 치료할 수 있는 가능성을 동물모델을 통해 증명하게 되었습니다.

 

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 

본 연구는 성균관대학교 의과대학 박사과정 학생이었던 나얍바뚤 박사의 박사학위 연구의 일환으로 수행되었습니다. 바뚤박사는 파키스탄의 파이살라바드 농업대학의 교원신분으로 지난 2016년 한국에 유학 온 후 5년간의 연구를 통해 의미 있는 연구결과를 얻었고 2021년 2월에 박사학위를 받은 바 있습니다. 바뚤 학생은 박사과정의 주 연구주제로써 본 연구를 처음부터 끝까지 주도적으로 진행하였습니다. 성균관대학교 항생제내성치료제 연구소의 연구교수인 아킬리쉬 차울라시아 박사는 미생물 유전학 및 감염균에 대한 전문가로서, 본 연구를 공동으로 지도하였습니다. 또한 성균관대학교 신소재공학부 이정헌 교수님은 나노물질을 만들고 응용하는 연구분야의 전문가로서 윤석영ㅡ학생과 함께 본 연구의 나노물질 합성 및 특성연구를 하는 역할을 담당하셨습니다. 서울대학교의 유상열 교수님은 박테이아파지의 전문가로서, 황색포도상구균에 선택적으로 결합하는 파지유래 엔도라이신이라는 단백질을 코딩하는 클론을 제공해 주셨습니다.

 

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 

이번 연구는 나노과학, 의학, 미생물학 등 다학제적인 연구가 유기적으로 결합된 융합 연구의 성과입니다. 배경이 다른 연구분야를 융합하여 연구를 진행하며 연구 초기 과정에서 어려움이 있었지만, 서로 간의 전문성을 존중하면서 신뢰를 갖고 연구를 수행함으로써 의미 있는 결과를 얻었습니다.

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 

박테리아의 특정 단백질에 결합하여 이들의 활성을 화학적으로 저해하여 균을 죽이는 기존 항생제 와는 달리, 항생나노봇은 박테리아에 결합하여 외부 전기신호에 반응하여 세포를 사멸시키는 새로운 작용원리로 박테리아 감염을 치료하는 전략이라는 점에서 가장 큰 차이가 있습니다.  따라서 이러한 치료법은 내성의 원인과 무관하게 박테리아를 사멸시킬 수 있으므로 다양한 내성균에 의한 감염을 효과적으로 치료할 수 있을 것이라 생각하고, 기존의 항생제로는 치료가 불가능한 내성균에 의한 감염을 치료할 수 있는 대안이 될 수 있을 것이라 기대합니다.

 

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

 

본 연구는 항생나노봇을 통해 내성균을 치료할 수 있다는 가능성을 제시한 논문입니다. 이러한 가능성을 임상적으로 이용이 가능한 치료제로 개발하기 위해서는 연구소재 및 치료환경을 최적화하고 독성을 확인하는 등 임상응용에 필요한 추가 연구가 수행되어야 합니다. 

항생제 개발이 난관에 부딪치고 임상에서 사용할 항생제가 더 이상 없는 상황에 대비하여, 본 연구와 같이 전혀 새로운 감염치료법의 상용화 연구도 진행하여야 한다고 생각 합니다.

 

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

 

항생제 내성문제는 인류가 반드시 극복해야 할 과제입니다. 비록 현재 코로나 19 감염 때문에 항생제 내성의 심각성이 상대적으로 적게 다뤄지고 있지만, 영국의회보고서에 따르면 2050년에는 천만 명이 항생제 내성에 의한 감염으로 목숨을 잃을 것이라 예상되는 정도로 중요한 문제입니다.

저의 연구실은 이러한 내성의 심각성을 오래전부터 인식하고 이를 극복하기 위한 기전 연구나, 새로운 치료제 개발 연구를 계속하여 수행하고 있습니다. 저희들의 연구성과가 내성극복을 위한 인류의 도전에 유용하게 사용되기를 바랍니다.