어떤 나노입자가 암세포를 뚫고 치료제를 전달할까?- 표준연, 나노입자의 세포 내 투과 실시간 확인 기술 개발

어떤 나노입자가 암세포를 뚫고 치료제를 전달할까?- 표준연, 나노입자의 세포 내 투과 실시간 확인 기술 개발

 

2016-11-17관리자

 

 

어떤 나노입자가 암세포를 뚫고 치료제를 전달할까?
- 표준연, 나노입자의 세포 내 투과 실시간 확인 기술 개발 -
- 암, 뇌졸중 등 중증 질환 치료 위한 나노입자 의약물 합성 前 나노입자 선별에 활용 - 

국내 연구진이 나노의약품을 만들 때 어떤 나노입자를 쓰는 것이 질병 치료에 효과적인지 판별하는 기술을 개발하였다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장대행 박상열) 나노바이오측정센터 이태걸 박사팀과 서울대학교 의과대학 김정훈 교수팀이 ‘나노물질의 투과도를 실시간으로 확인하는 기술’을 개발하였다.

 ◦ 미래부 미래유망융합기술 파이오니아사업의 지원을 받은 이번 연구결과는 네이처 자매지인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)에 9월 19일 게재되었다.

10억분의 1 m 단위 수준의 정밀도를 요구하는 나노기술은 최근 순수과학 뿐만 아니라 화장품, 의약품 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 특히 암이나 뇌졸중 등 중증 질환을 대상으로 나노입자를 활용한 치료법이 계속해서 개발되고 있다.

 ◦ BBC Research의 조사에 따르면 세계의 나노의약품 시장 매출은 2016년 1,390억 달러(한화 162조)에 달할 것으로 예측되었다. 

이렇게 나노입자가 약품, 핵산, 치료용 단백질의 세포 내 전달을 위한 수단으로 큰 잠재력을 보여 주면서 나노입자의 세포 내 투과성이 학계에서 주목 받고 있다. 나노입자에 어떤 치료제를 실어 보내는지도 중요하지만 운반 수단인 나노입자가 세포를 투과하여 효과적으로 치료제를 전달하는지도 중요해진 것이다.

기존에는 나노입자의 투과성을 확인하기 위하여 세포막을 구성하는 단백질에 형광물질로 표시한 후, 또 다른 형광물질로 표시한 나노입자의 위치를 형광현미경을 통해 관찰하는 방법을 사용했다. 이 방식은 형광체의 세포 내 위치변화를 단순히 눈으로만 확인하기 때문에 실시간 변화에 대한 정량적 분석이 어렵다는 단점이 있었다.

이에 연구팀은 세포의 정전용량*을 측정한 뒤 주파수 영역대에서의 정전용량 감소 기울기를 분석한 후, 나노물질 투입 시 나타나는 정전용량 기울기 변화를 통해 나노물질의 투과를 실시간으로 관찰하는 기술을 개발하였다.

  * 정전용량 : 전기(전하)를 저장할 수 있는 물리량 크기

연구팀은 자체 개발한 금 나노기판 안에 혈관 내피세포 및 암세포 등을 성장시킨 뒤 전류를 흘려 세포가 가지는 정전용량을 측정하였다. 그 후 기판 안에 세포 속으로 전달하고자 하는 나노물질을 넣고 다시 측정함으로써 시간대별로 변하는 정전용량을 확인하였다.

 ◦ 높은 주파수 영역대에서의 정전용량 기울기가 0.6인 세포에 나노입자를 처리해주면 24시간 후 0.5까지 떨어진다. 연구팀은 동일한 환경 속에서 나노입자의 투과를 방해하는 약물을 추가하면 종전 수치인 0.6으로 비슷하게 유지되는 것을 실험적으로 확인하였다.

 ◦ 높은 주파수 영역대에서의 정전용량 기울기가 낮아지는 것은 나노입자의 투과로 인해 세포질의 커패시턴스*가 감소하게 되고 나노입자의 투과가 세포질의 이온용액의 부피를 줄이면서 저항이 커지기 때문이다.

  * 커패시턴스 : 물체가 전하를 축적하는 능력을 나타내는 물리량

이번 연구결과는 기판 16개에 각각 세포를 동시에 배양할 수 있기 때문에 특정 나노입자의 투과도에 대한 정확성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 나노입자의 표면 전하 또는 합성에 따른 투과도 검사도 가능하다. 연구팀은 향후 기판의 수를 늘려 판별속도를 더욱 높일 계획이다.

KRISS 이태걸 박사는 “이번 기술을 통하여 다양하게 합성된 나노입자의 세포내 투과 정도를 약물합성 등을 응용하기 전에 미리 확인할 수 있다. 따라서 의약물 합성 전 나노입자의 선별검사에 활용될 것이다.”라고 말했다. 

붙임 1. 참고자료 : 연구 성과 설명
붙임 2. 참고자료 : 연구 성과 관련 사진

붙임1
참고 자료 : 연구 성과 설명

□ 연구 배경
최근 몇 년 동안 의약, 생체 재료 과학, 세포 및 종양 생물학 등 다양한 과학 분야에서 나노 물질의 사용의 급격히 증가하고 있다. 이러한 나노물질이나 입자들 중 일부는 이미 전통적인 약물보다 우수한 임상성적을 내어 의약품 시장에서의 성공을 이루고 있다. 따라서 나노입자의 세포 내 투과 유무를 확인 할 수 있는 다양한 방법이 요구되고 있다. 하지만 아직까지 나노입자의 합성단계에서 여러 종류의 나노입자의 투과 유무를 효율적으로 평가하는 방법이 없다. KRISS 나노바이오측정센터 이태걸 박사팀은 실시간으로 다양한 표면전하를 띄는 나노입자의 투과에 따른 정전용량 기울기 관찰을 통해 나노입자의 투과를 확인할 수 있는 정전용량 측정 시스템을 개발하였다.

▲ 기존 나노입자 투과성 확인 방법 (형광물질 이용)

기존에는 세포막을 구성하는 단백질에 형광물질로 표시한 후,
형광물질로 표지된 나노입자의 투과 유무를 형광현미경으로 관찰.

1. 나노입자의 농도가 높을수록 녹색의 나노입자가 많이 관찰됨
2. 나노입자가 정상적으로 투과되면 핵(파란색) 부근에서 관찰됨

※ 나노입자의 투과과정은 실시간으로 관찰하기 어렵고 투과되는 양도 눈으로 직접 확인하기 때문에 정확한 비교가 쉽지 않았다.

□ 연구내용
자체 개발한 금 나노 기판 안에 혈관내피세포 및 암세포 등을 넣고 전류를 흘려보내면 세포가 가지는 정전용량을 측정할 수 있다. 그리고 동일한 기판 안에 나노입자를 넣은 후 다시 측정하면 시간대별로 변한 정전용량을 확인할 수 있다.
또한 기판 16개에 각각 세포를 동시에 배양할 수 있기 때문에 특정 약물이 부착된 나노입자의 투과효과에 대한 정확성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 여러 입자에 대한 검사도 가능하다. 연구팀은 향후 기판의 수를 늘려 판별속도도 높일 계획이다.

▲ KRISS에서 개발한 정전용량 측정 장비 및 주변기기

▲ 나노입자의 투과에 따른 혈관내피세포의 정전용량 기울기의 변화
1. 원래의 세포에 나노입자가 투과하게 되면 높은 주파수에서의 정전용량 기울기가 감소함
2. 동일한 환경 속에서 약품(인히비터1,2-cytochalasin D 또는 chlorpromazine) 처리를 하게 되면 나노입자가 투과하지 못해서 기존의 세포가 가진 정전용량 기울기와 비슷하게 유지되는 것을 확인 가능
☞ 나노입자의 투과 유/무를 실시간으로 확인할 수 있음

붙임2
참고 자료 : 연구 성과 관련 사진
 

▲ KRISS 이태걸 박사팀이 혈관투과성 측정을 위해 세포를 기판에 올려놓고 있다

▲ KRISS에서 개발한 나노입자의 세포 내 투과측정시스템 조감도

정전용량 확인을 통한 나노입자 투과측정 시스템은 현미경과 결합하여
전기적, 광학적 방식으로 동시측정이 가능하다