독일 막스플랑크 연구소의 연구진이 약물을 운반하는 마이크로스위머를 만들기 위해 세포를 사용했다. 현대 기술에서 약물을 체내에 운반하는 데 인공나노입자를 사용하는 것은 일반적인 일이다. 그리고 막스플랑크 연구소의 연구진은 더 나은 대안을 만들기 위해 새로운 약물 전달 물체를 만들었다.
적혈구 및 박테리아로 구성된 마이크로스위머
나노입자란 100 나노미터 크기 미만인 미세입자다. 과학자들은 생물의학, 전자 및 광학 분야와 같은 다양한 응용 분야에서 나노입자를 사용하고 있다. 생물의학 분야에서는 나노입자를 활용해 종양에 항암제를 전달한다. 그러면 이 약물은 박테리아 클러스터를 분해하고 면역계의 반응을 자극한다. 대부분의 나노입자 모델은 산화 세륨, 산화철 및 다이아몬드와 같은 생체 적합한 합성물질로 만들어진다.
그러나 막스플랑크 지능시스템연구소의 물리정보팀은 세포를 사용한 새로운 나노입자 모델을 만들었다. 연구진은 적혈구 및 박테리아에 이동식 스냅 후크 시스템을 적용해 마이크로스위머를 개발했으며 박테리아가 모터 역할을 하는 동안 적혈구는 화물 운반선 역할을 한다.
다른 모델과 비교했을 때 생물학적인 마이크로스위머는 3가지 고유한 특성을 지닌다.
1. 고등급 변형성 : 변형성은 적혈구에서 발견되는 고유한 능력이다. 적혈구는 파열없이 특정 응력 수준에서 모양을 변경할 수 있다. 생물학적 마이크로스위머의 크기는 약 6 마이크로미터지만, 2 마이크로미터의 매우 좁은 간격을 통과할 수 있을 정도로 스스로의 크기를 압착할 수 있다.
2. 스냅후크시스템 : 연구진은 적혈구와 박테리아를 연결하기 위해 자연적인 스냅후크시스템을 사용했다. 그들은 수용성 B 비타민인 비오틴과 잘 결합하는 아비딘이라는 단백질을 사용했다. 두 물질은 온도나 유기 용매 등 다른 요인의 영향을 받지 않고 결합할 수 있다. 그래서 해당 마이크로스위머를 다른 나노입자보다 견고하게 만든다.
3. 적외선과의 반응 : 화물을 목표물에 전달한 후, 마이크로스위머는 체내에서 제거돼야 한다. 이를 위해 연구진은 적혈구에 적외선을 흡수하는 특수 분자를 적재했다. 즉 목적을 달성하면 적혈구와 박테리아는 적외선 광원에 의해 파괴된다.
암 치료에 사용되는 적혈구는 세포질에 독소루비신과 같은 항암제와 자율수영을 위한 철 나노입자를 보유한다. 박테리아는 적혈구의 안내자 역할을 수행하며 표적에 도달한다.
암세포에 도달하면 적혈구는 파괴된다. 주변이 산성으로 이뤄진 환경이기 때문이다. 하지만 파괴됨과 동시에 지니고 있던 약물을 암세포에 방출한다. 그런 다음 적외선이 적용되면 마이크로스위머가 분해된다. 또 마이크로스위머에 사용된 박테리아가 적외선으로 분해돼야 다른 면역 반응이 일어나지 않는다.
막스팔랑크 연구소의 메틴 제티는 "바이오하이브리드 마이크로스위머는 미래의 비침습적인 의료 활동에 엄청난 잠재력을 보일 것이다. 우리가 개발한 마이크로스위머는 다른 박테리아 중심의 마이크로스위머에서는 관찰되지 않은 독특한 다중 기능을 보인다"고 설명했다.
연구진은 실험실에서 새로운 모델을 활용했다. 하지만 이것을 인체에 사용하기 위해서는 동물을 대상으로 추가 테스트를 진행해야 한다. 연구진은 의도하지 않은 면역 반응 등 해당 마이크로스위머에 여전히 해결해야 할 과제가 남아있다고 말했다.
의학 분야에서 활약하는 나노입자
나노기술은 앞으로도 의료 분야를 크게 변화시킬 잠재력을 품고 있다. 나노기술의 응용 분야는 진단, 치료, 예방 등을 목적으로 사용된다.
예를 들어 의약품에 나노기술을 응용하면 기존의 약물보다 더 나은 표적화가 가능하며 생체 이용 가능성이 높아지고 새로운 작용 방식이 생겨나는 등 약물 전달 방법이 변화한다.
응용방법으로는 조직 대체를 위한 나노구조 발판 제작, 원격 제어를 통한 나노 탐침 및 질병 치료를 위한 다기능 화학 구조 등 여러 가지가 있다.
아래는 현재 개발 중인 나노기술 제품의 주요 응용 분야다.
1. 진단 목적의 나노 결정으로 구성된 양자점(퀀텀닷) : 이 작은 결정은 세포 수준에서 고해상도 영상을 얻을 수 있어 암의 조기 진단 및 치료에 매우 유용하다. 그러나 초기 연구에서 사용된 물질이 독성을 띠고 있다는 사실이 밝혀졌다. 캘리포니아대학 버클리캠퍼스 연구진은 퀀텀닷의 보호 코팅이 물질의 독성을 제거할 수 있다고 말한다.
2. 재생 의학용 나노입자 : 나노입자는 신체의 자연 치유력을 자극하는 데 사용될 수 있다. 그 예가 바로 펩타이드 양성자다. 젤 형태로 만들어진 이 물질을 신체의 화상 부위에 바르면 세포 증식이 촉진된다.
3. 약물 전달용 나노입자 : 약물 전달 나노입자는 나노기술의 가장 보편적인 응용법이다. 금 나노입자 및 리포솜과 같은 일부 모델은 종양에 항암제를 전달하는 데 사용된다. 이것은 악성 종양으로 고통받으면서도 화학요법에 부작용을 보이는 암 환자에게 필수적인 치료법이다.
[메디컬리포트=강민경 기자]