종이 접듯 DNA를 접는 기술로 제작한 나노구조체,
세포 내 약물 전달 효과 높인다. 
 - KIST-(Dana-Farber Cancer Institute) 공동연구진, DNA 접기 기술로 세포 내
   침투 효과 높이는 형태의 나노구조체 제작
 - 향후, 다양한 형태의 DNA 나노구조체로 약물전달체, 암 치료제 등에 활용

 

인류의 평균 수명이 늘어나면서 질병과 건강에 대한 관심이 높아지고 있다.  ‘암’(Cancer) 질환과 관련하여 국내 성인 3명 중 1명이 암을 겪는다는 통계에서 볼 수 있듯, 암은 흔한 질병이 되었으며 치료를 위한 많은 연구가 이뤄지고 있다. 특히 나노구조체를 이용한 암 치료제가 암 세포에 효과적으로 전달되도록 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 국내 연구진이 DNA를 접는 기술을 개발, 원하는 형태의 DNA 나노구조체를 제작하여 효과적인 세포 암 치료의 가능성을 주목받고 있다. 

 

류주희 박사

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의공학연구소 류주희 박사팀은 다나파버 암 연구소(Dana-Farber Cancer Institute) 윌리엄 시(William Shih) 교수 연구진과 공동연구를 통해 DNA 접기 기술을 개발하여 기존의 나노구조체 제조방법으로는 만들기 어려운 다양한 형태의 DNA 나노구조체를 제작했다. 또한 공동연구진은 이 기술로 정교하게 제작된 여러 형태의 나노구조체들의 세포 침투도를 분석했다고 밝혔다.

 

최근 학계의 연구결과에서는 나노구조체의 모양과 크기에 따라서 세포에 침투할 수 있는 성질이 크게 달라진다는 점이 대략적으로 밝혀졌으나, 이 나노구조체를 원하는 모양과 크기로 만들기가 매우 어려워서 정교한 연구를 수행하기는 어려운 실정이었다.

 

연구진이 개발한 DNA 접기 기술은 뼈대가 되는 하나의 긴 DNA에 상호보완적인 여러 개의 짧은 DNA들을 이용하여 종이접기 하듯이 접어서, 원하는 형태의 나노구조체를 만드는 것이다. DNA 가닥들이 결합을 통해 이중나선을 형성하면서 특정형태를 이루는데, 다양한 형태의 구조체를 수 나노미터(nm, 10억분의 1m) 크기로 정밀하게 만들 수 있다. 정교한 제어를 통해 만들어진 DNA 나노구조체는 뛰어난 생체 적합성 등으로 약물전달체로서 밝은 전망을 가지고 있다.

 

연구진은 11가지 종류의 서로 다른 크기와 모양을 가진 DNA 나노구조체를 제작하여 다양한 세포에 침투시키는 실험을 진행했다. 그 결과, 모든 세포에서 나노구조체의 조밀함*이 높을수록 세포로의 침투도가 높아지는 것을 확인하였다. 구조체의 내부가 채워져있는 조밀함이 높은 나노구조체(L-block, 그림 1 참조)의 경우 같은 무게의 대조군에 비해 15배 이상 향상된 세포 투과도를 나타내었다.
*조밀함(compactness) :  부피에 대한 표면적의 비율

KIST-다나파버 암연구소 공동연구진이 개발한 DNA 접기 기술로 만들어진 다양한 크기와 모양의 DNA 나노구조체. (대조군 2개를 제외한 9개의 구조체만 표현) - 세포 내 투과에 영향을 미치는 나노구조체의 영향을 분석하기 위해 크기와 모양을 비교할 수 있도록 각각 다양한 형태의 나노구조체를 제작 ※ 네모박스는 각각의 나노구조체를 투과전자현미경으로 관찰한 실제 투과 이미지 - 11가지 나노구조체의 조밀함(Compactness, 부피에 대한 표면적의 비율), 비율(Aspect ratio, 구조체의 가장 긴 길이/가장 짧은 길이, 원의 경우 1) 등을 계산해서 이러한 수치 중 어떤 수치가 세포내 침투도와 가장 큰 상관이 있는지 분석하였고, 그 결과 나노구조체의 조밀함(나노구조체의 내부가 비워져있느냐 or 채워져있느냐)이 세포 내 침투도와 가장 큰 상관이 있다는 것을 확인

KIST 류주희 박사는 “이번 연구 결과로 DNA 접기 기술을 통해 세포 침투 능력이 우수한 나노구조체를 제작하는 것이 가능해졌다. 향후 이 기술로 DNA 나노구조체가 암 치료제와 같은 약물 전달을 위한 전달체로 활용되는데 큰 기여를 할 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

 

다나파버 암연구소(Dana-Farber Cancer Institute)는 하버드 의대 부속병원으로 세계적으로 유명한 암전문 병원이다. KIST는 DFCI와 지속적으로 공동연구를 해왔으며, KIST의 약물전달기술을 DFCI의 임상적으로 유용한 치료타겟에 적용해보는 것을 목표로 공동연구 확대 발전을 위해 KIST-DFCI 현지 랩을 3 년째 운영하고 있다.
 
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 바탕으로 한 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Nano Letters’ (IF : 12.712, JCR 분야 상위 3.45%) 최신호에 게재되었다.

 

 * (논문명) Modulation of cellular uptake of DNA origami through control over mass

               and shape
     - (제1저자) Maartje Bastings, Frances Anastassacos, Nandhini Ponnuswamy
                    (Dana-Farber Cancer Institute, Post-doc 및 박사과정 학생)
     - (교신저자) 한국과학기술연구원 류주희 선임연구원 
                     William Shih (Dana-Farber Cancer Institute, Professor)

 

Posted by KIST PR

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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

Posted by KIST PR

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