약물 위치추적·영상화 통해 약물방출 패턴 조절

약물의 위치 추적 및 영상화를 통해 약물 방출 패턴을 조절할 수 있는 다기능성 약물전달체 개발의 단초가 마련됐다.

박현규 KAIST 교수(생명화학공학과), 박태정 중앙대 교수(화학과), 김문일 가천대 교수(바이오나노학과) 공동 연구팀은 중금속 흡착 단백질을 이용한 금속 나노입자 고효율 생합성 기술을 개발하고, 이를 이용해 위치 영상화가 가능한 약물 전달체를 개발했다고 7일 밝혔다.

김문일박찬영 교수가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 미국화학회가 발행하는 국제 학술지 ACS 어플라이드 머터리얼즈 앤 인터페이시스(Applied Materials and Interfaces) 13호 표지 논문으로 선정됐다. 논문명은 In situ biosynthesis of a metal nanoparticle encapsulated in alginate gel for imageable drug-delivery system.

현재 금속 나노입자의 합성에 주로 사용되고 있는 물리화학적 방법은 독성이 있는 환원제계면활성제 및 유기 용매의 이용이 필요해 약물전달체 등 생체 내에 사용하기 어렵다.

이를 극복하기 위해 환원력이 우수한 단백질을 미생물 내에 과발현해 금속 나노입자를 생합성하는 기술이 개발됐으나, 이 방법은 미생물이 받아들일 수 있는 금속 전구체의 종류농도 등이 제한되는 단점이 있다.

연구팀은 대장균에 플라스미드(중금속 흡착단백질 발현)를 형질 전환해 단백질을 과발현한 후 이를 알지네이트 젤에 포집해 활성을 안정화하는 기술을 개발했다.

중금속 흡착 단백질을 포집한 알지네이트 젤은 다양한 종류의 금속 이온을 30분 이내로 빠르게 고농도로 흡착 및 환원시켜 금은자성양자점 나노입자 등 다양한 종류의 금속 나노입자를 알지네이트 젤 내부에 고농도로 생합성하는 데 효과적으로 활용됐다.

기존 물리화학적 및 미생물 내에서 진행되는 생물학적 방식과는 달리, 중금속 흡착 단백질을 효과적으로 포집한 알지네이트 젤 기반 세포외 반응기는 추가적인 환원제 등이 필요치 않고 고속고농도 합성이 가능하다.

연구팀은 항암제 등 약물과 중금속 흡착 단백질을 알지네이트 젤에 동시에 포집한 후 높은 형광을 나타내는 양자점 나노입자를 젤 내부에 합성함으로써 형광을 통해 위치 추적 및 영상화가 가능하고 약물의 서방형 방출이 가능한 다기능 약물 전달체를 개발하는 데 성공했다.

항암제와 녹색 형광을 보이는 카드뮴 셀레나이드(CdSe) 및 파란색 형광을 보이는 유로피움 셀레나이드(EuSe)로 이뤄진 양자점을 동시에 포집한 약물 전달체를 마우스에 경구로 주입한 후, 이 약물 전달체의 위치를 생체 내에서 추적 및 영상화할 수 있음을 확인했다.

박현규 교수는 이번 연구에서 개발된 중금속 흡착 단백질을 포집한 알지네이트 젤은 독성 물질 없이 고속고농도로 다양한 금속 나노입자를 생합성할 수 있고, 동시에 약물의 서방형 방출이 가능하기 때문에, 향후 위치 추적이 가능한 약물 전달체 등에 응용될 수 있다고 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단지원 중견연구자지원사업의일환으로 수행됐다.