다양한 암세포, 인공 표적 기술로 한 번에 잡는다

신개념 암세포 인공 표적화 기술개발로 기존 암 치료법의 한계 극복  
향후 암 표적치료제 개발 분야 연구에 활용 기대

 

종양 내 암세포의 이질성*은 항암치료 및 표적항암치료에 대한 저항성 및 재발 기전을 이해하고 성공적인 항암치료 및 표적항암치료 기술개발을 위한 매우 중요한 개념으로 주목받고 있다. 최근 국내 연구진이 이질성을 갖는 암세포를 효과적으로 찾아낼 수 있는 신(新)개념의 암세포 인공 표적 기술 개발에 성공했다. 이 기술은 암세포의 유전학적 다양성에 의해 나타나는 이질성 극복을 목적으로 특수한 나노입자를 암 조직에 전달하여 암세포가 인공 수용체를 발현하도록 하고 이를 인위적으로 표적할 수 있도록 하는 기술이다.
*이질성(heterogeniety) : 종양 내 서로 다른 특성을 지닌 암 세포들이 함께 존재하는 현상. 동일 종양 내 서로 다른 특성을 지닌 암 세포가 존재하는 경우 종양 내 이질성(Intra-heterogeniety), 같은 암 종의 환자 개개인간의 암 세포의 다른 특성을 개체간 이질성(Inter-heterogeniety)이라 함.

<그림 1> 암 세포 인공 표적 기술의 모식도:생체 내 이질성을 갖는 암 세포의 인공 표적을 위해 비천연 당전구체를 전달 할 수 있는 덴드리머-비천연 당전구체 접합체 제작 및 인공수용체 발현 모식도. 암 세포 표면에 발현된 인공수용체와 클릭화학을 이용해 약물전달체인 리포좀을 이질성을 갖는 암 조직에 성공적으로 전달하였다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 테라그노시스연구단 김광명 박사팀은 거대한 분자 화합물(덴드리머) 기반으로 특수한 전달체(비천연 당전구체)를 제작하여 당대사공학 및 생물직교성 무동 클릭화학**을 이용한 이질성을 갖는 암 세포를 표적하는 신개념의 암 세포 인공 표적 기술 개발에 성공했다. 연구진은 화학적 표지가 가능한 수용체를 세포 표면에 도입하여 특이적으로 연결하는 결합 반응을 통해 이질성을 갖는 암 세포의 인공 표적을 가능하도록 했다. 이에 암세포의 이질성에 의한 항암치료 저항성을 극복 가능케 하여, 향후 암 치료제 개발 분야에 활용될 전망이라고 밝혔다.
**당대사공학(metabolic glycoengineering) : 인공 당과 당단백질 합성과정을 이용한 세포 표면에 화학적 표지가 가능한 수용체를 도입할 수 있는 기술 /  생물직교성 무동 클릭화학(Bioorthogonal copper-free click chemistry) : 구리촉매 없이 두 분자의 반응 기간의 상호작용을 통해 두 분자를 특이적으로 연결하는 결합 반응

KIST 김광명 박사팀은 생체 내 암 조직에서 당대사공학을 통해 암 세포 표면에 인공수용체를 만들 수 있는 나노크기의 접합체(덴드리머-비천연당)를 제작했다.

<그림 2> 덴드리머 기반 비천연 당전구체 전달 모식도:PAMAM(덴드리머) 표면에 가수분해가 가능한 화학 작용기를 이용하여 비천연 당을 화학적으로 결합시킴. 표면에 비천연 당이 수식된 덴드리머는 암 조직에 전달되어 암 조직의 낮은 pH (6.5 이하) 조건에서 가수분해 되며 비천연 당을 방출시킴.

그리고 인공수용체에 생물직교성 클릭화학을 통해 특이적으로 결합 가능한 형광체를 지닌 인공막(리포좀, liposome)을 이용하여 암의 인공 표적 효능을 관찰했다. 연구진이 개발한 비천연당 전달 기술은 높은 생체 적합성을 지니며, 이질성을 갖는 암 세포를 균일하게 표적할 수 있는 특징이 있다. KIST 김광명 박사는 “본 연구에서 개발한 이질성을 갖는 암 세포 인공 표적 기술을 이용해 최적화된 약물전달이 가능하며, 향후 암 치료제 개발 분야 연구에 도움이 될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

<그림 3> 덴드리머 기반 비천연 당전구체를 이용한 다양한 암 세포의 표지 효능 평가:덴드리머 기반 비천연 당전구체 (Nano-MPs)를 이용하여 다양한 종류의 암 세포의 표지 효능을 평가함. 본 연구팀은 암 세포 이질성 환경을 모사하기 위하여 뇌암, 유방암, 폐암 등의 다양한 기원의 암 세포를 이용함. 기존의 암 표적화를 위해 사용되는 RGD (단백질), cetuximab (항체), folate (엽산 화합물)등의 리간드는 결합될 수 있는 특정 수용체가 발현되는 암 세포만 표적 할 수 있는 한계가 있었음. 본 연구를 통해 개발한 Nano-MPs는 암 세포의 이질성과 관계없이 표적화가 가능한 특성을 지님.

<그림 4> 덴드리머 기반 비천연 당전구체를 이용한 암 조직 표지 효능 평가:인공수용체에 생물직교성 클릭화학을 통해 특이적으로 결합 가능한 리포좀을 이용하여 이질성을 갖는 암의 표적 효능을 관찰함. RGD 리간드를 이용해 표지 할 수 있는 U87 암 세포 및 RGD 수용체가 거의 발현되지 않는 MCF7 암 세포를 동시에 접종한 동물 모델을 이용하여 본 연구를 통해 개발한 암 인공 표적 기술의 생체내 효능을 관찰함. 모델 나노입자로, 폴리에틸렌글리콜이 수식된 리포좀, RGD 리간드가 수식된 RGD 리포좀, 인공수용체를 표적하기 위한 BCN이 수식된 리포좀을 각각 동물 모델에 투여하여 근적외선 형광영상을 이용한 효능 평가를 실시함. RGD-lipo가 U87 암 조직에 특이적으로 표적하는 특성과 달리Nano-MPs를 처리한 암 조직에서 모두 강한 BCN-lipo의 형광이 나타났음. 이는 인공수용체가 U87 및 MCF7 암에 성공적으로 도입되었으며, 이를 이용해 좀 더 균일한 암 표적이 가능한 것으로 판단함.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 생체재료 분야의 국제학술지 ‘Biomaterials’ (IF:8.402, JCR 분야 상위 1%) 최신호(9월 18일)에 온라인으로 게재되었다.

 

 * (논문명) Nano-sized metabolic precursors for heterogeneous tumor-targeting strategy using bioorthogonal click chemistry in vivo
      - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 이상민 박사(현 원광대학교 약학대학 조교수)
      - (교신저자) 한국과학기술연구원(KIST) 김광명 박사(과제 실무책임자)
                       서울대학교 안철희 교수

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체내 이식한 줄기세포, 장기간 추적 가능해진다 
- 줄기세포 치료 관련 연구에 적용 기대 -

 

김광명 박사(한국과학기술연구원) 연구팀이 체내 이식한 줄기세포를 장기간 추적할 수 있는 새로운 줄기세포 표지(Labeling) 기술을 개발했다고 미래창조과학부(장관 유영민)는 밝혔다.

줄기세포는 여러 종류의 신체 조직으로 분화할 수 있는 능력을 가진 미분화세포이다. 줄기세포를 체내에 이식했을 때는 제대로 이식이 되었는지, 줄기세포가 살아있는지를 확인할 수 있어야 한다. 현재 널리 사용되고 있는 표지 기술은 줄기세포의 형질을 전환시키거나 다양한 영상 조영제*를 줄기세포에 직접 들어가게 하는 일련의 과정을 거치는데, 이때 줄기세포의 전분화능*의 손실, 표지 효율의 저하 등의 문제점이 있다.
* 조영제 : CT 또는 MRI 영상신호의 대조도를 높일 수 있는 약품
* 전분화능 : 단일 세포가 그 유기체의 모든 세포로 분화할 수 있는 능력
연구팀은 화학수용체를 이용하여 다양한 조영제 나노입자를 줄기세포에 쉽게 표지할 수 있는 기술을 개발하였다. 이 기술은 체내에 이식된 줄기세포의 생존과 분화과정에 대해 15일 이상 추적이 가능하며 형광영상뿐만 아니라 MRI, CT에 이용되는 다양한 조영제를 줄기세포에 표지할 수 있다. 또한 세포독성과 이상증식에 대한 부작용이 적어 생체 적합성이 높다. 김광명 박사는 “이번 연구성과는 줄기세포 추적 영상화 기술과  다양한 줄기세포 치료제의 효능을 평가하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

(그림 1) 신개념 줄기세포 표지 기술의 모식도 (그림 2) 줄기세포 추적 영상 개념도

이 연구는 미래창조과학부 기초연구지원사업(개인연구)와 글로벌연구실지원사업, 보건복지부 첨단의료기술개발사업, 고려대-한국과학기술연구원 프로젝트, 한국과학기술연구원 기관고유사업의 지원을 받아 수행되었다. 김광명 박사 연구팀(한국과학기술연구원)의 연구내용은 국제적인 학술지 바이오메터리얼즈(Biomaterials) 6월 1일자에 게재되었다. 

  - 논문명 : In Vivo Stem Cell Tracking with Imageable Nanoparticles that Bind Bioorthogonal Chemical Receptors

               on the Stem Cell Surface
  - 저자정보 : 김광명 박사(교신저자, 한국과학기술연구원). 이상민 교수(공동제1저자, 원광대학교),

                  윤화인 박사(공동제1저자, 한국과학기술연구원)

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[YTN 사이언스] 한국과학자 26명,

영향력있는 세계 연구자 선정

 

11월 17일 YTN 사이언스 뉴스에서 톰슨 로이터에서 발표한 2016세계에서 가장 영향력 있는 연구자 국내 과학자 26명 중 KIST 권익찬 박사, 김광명 박사가 3년 연속 선정되는 쾌거를 거두었습니다. 약리,독성학 분야에서 3년 연속 선정된건데요 자세한 내용 아래 방송에서 확인해 보세요

 

[방송보기]

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- KIST 권익찬, 김광명 박사 약리학 및 독성학 분야 3년 연속 선정 -

- 2016년 선정자 중 정부출연(연) 유일하게 KIST 연구자 2명 선정 -




한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 21일(수) 의공학연구소 권익찬 소장, 김광명 박사가 3년 연속 세계 상위 1% 연구자로 선정됐다고 밝혔다. 


최근 톰슨 로이터(Thomson Reuters)는 2004년부터 2014년까지 발표된 총 21개 분야 논문 가운데 128,887편의 논문을 분석해 전 세계에서 ‘논문의 피인용 횟수가 많은 연구자(Highly Cited Researchers)’ 3,200여 명을 선정했다. 이 가운데 약리학 및 독성학(Pharmacology & Toxicology) 분야에서 KIST 권익찬 박사, 김광명 박사가 3년 연속 선정되었다고 발표했다. 


2016년에 선정된 국내 연구자(외국인 1명 포함) 26명 중 3년 연속 선정자는 13명에 불과한데, 상기 두 연구자는 정부출연(연) 중 유일하게 3년 연속 선정되는 쾌거를 거뒀다.


‘노벨상에 근접한 연구자들’이라는 평을 받는 이번 발표는 톰슨 로이터가 웹 오브 사이언스(Web of Science) 데이터베이스를 활용해 매년 전 세계 연구자들이 발표한 논문들의 피인용 횟수를 전 학문 분야에 걸쳐 조사한다. 매년 세계 수준의 연구력을 인정받는 상위 1% 이내에 속한 연구자(Highly Cited Researchers)를 선정해 발표하고 있다. 

 

 

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