짧은 유효시간은 나노입자 약물 요법의 고민거리였다. 그런데 환부까지 약물을 전달시킬 수 있는 이중코팅이 개발돼 기대감을 모으고 있다.

지금까지 나노입자 요법은 순환 시간이 매우 짧아 유효성이 부족했다. 대부분의 합성 나노입자는 종양에 닿기도 전에 혈류에서 빠르게 사라진다.

그러나 드렉셀대학 연구팀이 개발한 이중 코팅 접근법은 나노입자의 일반 코팅 물질을 두 번 적용했다. 이 방법은 미세한 나노입자가 작용할 수 있는 역동적인 표면적을 만드는 데 중점을 두고 있다.

장기 순환 시간을 위해 이중 코팅된 나노입자

나노입자가 인체 혈류에 들어가면 이물질로 표시하기 위해 특정 단백질이 나노입자의 표면적에 붙게 된다. 이는 면역체계의 제1 방어 기제를 촉발한다. 일차 반응자인 대식세포는 인체에 해를 입히지 못하도록 즉시 이 입자를 잡아먹는다. 그리고 인체의 방어 물질의 상호작용으로 나노입자의 순환시간이 줄어들게 된다.

드렉셀 대학 연구팀은 나노입자의 순환 시간을 늘릴 수 있는 요소를 발견했다. 그리고 대식세포의 비단독 상호작용, 특정 간 세포 유형의 관련성, 면역체계의 차단을 방지하는 이중 코팅의 취지를 연구했다.

이번 연구의 선임 책임자 청 하오 박사는 "단기 혈액 순환 시간이 항암 요법에서 나노입자의 주요 방해물 중 하나다"며 "연구팀은 항암 유효성을 개선하기 위해 혈액에서 나노입자 순환을 늘릴 수 있는 간편한 방법을 개발했다"고 전했다.

면역체계 및 간의 방어적 전략

연구팀은 이전 연구에서의 나노입자가 표적에 도달하기 전 충분히 오래 유지되지 않는 이유를 조사했다. 종양세포를 파괴하기 위해 혈류로 전달되는 대부분의 나노입자는 면역체계의 방어 전략에 의해 중단된다.

먼저, 연구팀은 혈장 단백질이 나노입자 표면에 즉각적으로 붙는 단백질 흡수 과정을 관찰했다. 이 때 인체는 나노입자를 이물질이라고 간주하게 된다.

그리고 단백질 표시가 되는 나노입자에서 대식세포의 작용을 조사했다. 나노입자를 처리하는 대식세포를 돕는 다른 세포 유형은 간 동모양 혈관 내피(LSEC)세포였다.

LSEC는 모든 간 세포에서 15 ~ 20%를 차지하고 있지만 전체 간 부피의 3% 밖에 되지 않는다. 이 세포는 세포막으로 물질을 흡수하는 세포이물흡수 기능이 뛰어나다.

생존 나노입자 만들기

연구진은 특정 간 세포 또한 나노입자를 제거한다는 사실을 확인한 후 이중 코팅 전략을 사용하기로 결정했다. 이 방법으로 혈액 순환 시간이 줄어들 때 혈장 단백질과 방어 세포를 막을 수 있다는 것이다.

나노입자는 표준 방식으로 제작했다. 또 입자의 폴리머 외피를 만들기 위해 폴리에틸렌 글리콜(PEG)를 사용했다. PEG는 나노입자 코팅 시 널리 사용되는 폴리머 요소다.

그 후, 나노입자에 두 가지 다른 코팅 설계 방법을 적용했다. 첫 번째는 빽빽한 브러쉬 같은 층으로써 혈장 단백질을 물리치는 작용을 한다. 두 번째는 버섯 모양의 외관을 만드는 저밀도의 PEG로써 이 또한 단백질을 물리친다. 전체적으로, 이 두 가지 설계 방법으로 나노입자는 털 모양의 외관을 갖게 됐다.

과학자들은 이중 코팅이 단백질과 세포를 막아낼 수 있는지 확인하기 위해 이 새로운 접근법을 테스트했다. 관찰 결과 대식세포와 LSEC의 상호작용은 버섯 모양의 폴리머 외피로 중단되는 한편, 혈장 단백질의 작용도 폴리머 외피의 브러쉬 같은 층에 의해 중단됐다.

역동적인 외피 설계로 혈류의 나노입자의 순환 시간을 확장시켰다. 입자는 24시간을 지속했으며 다른 연구에서 개발한 최상의 나노입자 모델에 비해 2배 가량 시간이 길어졌다. 혈류를 이동하는 입자의 수가 많을수록 이러한 순환 시간의 길이는 길어질 수 있다.

윌버 보우니 박사는 "24시간까지 길어진 순환 시간으로 항암 요법 및 진단에서 나노입자의 사용 가능성을 확대했다"고 말했다.

연구팀은 사람을 대상으로 한 임상시험에서 이 나노입자를 테스트하기 전에 나노입자 설계를 개선하고 최적화할 필요가 있다고 덧붙였다. 안전성 및 유효성을 평가하기 위해 입자의 탑재 용량과 파괴한 종양세포의 수 같은 특정한 세부 내용을 관찰 및 분석해야 할 것이다.

[메디컬리포트=김건우 기자]