나노물질은 인체 기관에 축적되므로 유해하다는 편견을 깨고, 역으로 항암치료에 활용하는 방안이 개발되었다. 강동우 교수(가천대학교 의과대학) 연구팀이 특정 크기의 탄소나노물질을 이용하여 항암제를 폐암세포에 효과적으로 투입하는 치료 전략을 제시했다고 한국연구재단은 밝혔다.

폐암은 5년간 환자 생존율이 10~13%에 그치는 난치성 종양이다. 세포독성 및 표적항암약물 등 여러 시도에도 불구하고 폐종양을 표적화하는 효율이 높지 않아서 치료가 쉽지 않은 실정이다.

탄소나노튜브는 탄소로 구성된 나노미터(nm) 직경의 원기둥 모양 구조체이다. 이와 같이 폭보다 길이가 훨씬 긴 나노물질은 폐 조직에 축적되는 성질이 있어, 인체에 유해하다고 여겨졌다. 연구팀은 이 점을 긍정적으로 활용하여 독성이 억제된 적은 용량에서 폐종양만 집중 치료하는 효과적인 치료물질을 개발하였다.

연구팀은 폐암이 생성된 생쥐모델을 이용하여 다양한 크기의 탄소나노약물에 대한 항종양 효능을 평가하였다. 그 중에서도 60~100나노미터(nm) 직경의 탄소나노물질은 카베올린* 단백질을 통한 세포 내부로의 유입이 활성화되었고, 그 결과 폐종양의 크기가 현저히 줄어드는 것을 입증하였다.
    * 카베올린(Caveolin) : 세포 외 다양한 물질들의 세포 내 수송에 관여하는 단백질

강동우 교수는 “막대모양의 나노물질이 폐에 축적되는 수동적 특성과 나노물질 직경을 통제하여 세포 유입을 활성화하는 능동적 조절을 동시에 이용하여 나노항암제의 효능을 극대화했다”라며, “향후 생분해성 또는 생체적합성 나노물질을 선택하여 형태와 크기를 최적화하면 임상적 성공 가능성이 높아질 것으로 기대한다”고 연구 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구자) 및 보건복지부 질환극복기술개발사업 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 ACS 어플라이드 머터리얼즈 & 인터페이스(ACS applied materials & interfaces) 1월 8일 논문으로 게재되었다.

□ 논문명, 저자정보

논문명
Destroying deep lung tumor tissue through lung-selective accumulation and by activation of caveolin uptake channels using a specific width of carbon nanodrug
저  자
강동우 교수(교신저자, 가천대학교), 김상현 교수(공동교신저자, 경북대학교), 김상우 박사(제1저자, 가천대학교), 박준영(제1저자, 가천대학교), 이소영(한국생명공학연구원)

□ 연구의 주요 내용
 1. 연구의 필요성
  ○ 폐암은 특히 인구 노령화 및 환경오염(미세먼지)으로 인하여 매우 급격하게 증가하는 추세이며 항암 약물 치료과정에서 면역기능 저하 및 인체 독성으로 인하여 치료기간동안 일상적인 생활이 곤란하다.
  ○ 현재의 항암기술의 5년간 폐암환자의 생존율이 10-13%에 그치고 있고 중국에서 발생되는 미세먼지로 인해 국내의 폐암환자수가 갑자기 증가할 경우 만족할만한 폐암 치료 기술의 부재로 인하여 사회적인 문제가 발생될 수 있다.
  ○ 일반적으로 카본 나노튜브는 인체 폐에 축적되는 대표적인 나노 유해 물질이라고 여겨져 왔으나 역발상으로 폐 및 폐암에 축적되는 특성을 이용하여 폐암치료제로서 사용될 수 있고 미량에서 기존의 항암치료제 보다 더 월등한 효과를 보인다(동물실험). 그리고 특정한 나노 직경 (60~100 nm)에서 암세포에서 많이 발현되는 카베올린 흡수 채널의 활성화를 이용하면 더욱더 많은 나노항암제를 폐암세포에 유입할 수 있고 폐종양 사멸효과를 극대화 할 수 있는 것을 세계 최초로 발견했다.

 2. 연구내용
  ○ 본 연구에서는 폐암세포 Target Efficiency를 극대화하기 위하여 폐축적 특화된 파이버 구조의 카본 나노 항암제를 이용하여 폐암 표적능력을 극대화했다.
  ○ 폐에 축적되는 나노물질의 특이적 장기 축적 분포도를 이용, 폐혈관의 capillary vessel (주로 마이크론 사이즈)에 집중적으로 축적 후 폐암세포를 집중적으로 공략했다. 
  ○ 폐암세포에서 발현되는 카베올린 흡수경로를 활성화 할 수 있는 직경 (60~100 nm)을 가진 나노항암제를 이용하여 폐암세포에 나노항암제의 흡수를 극대화했다.
  ○ 본 연구팀은 폐암 세포에서, 약물의 세포 내 유입과 세포 사멸정도의 확인을 통해 나노항암제의 치료 효과를 확인하였고, 각기 다른 직경의 나노약물이 암세포의 유입경로가 다르다는 것을 이용하여 항암약물의 흡입을 극대화했다.
  ○ 또한 나노항암제의 독성을 확인하기 위해, 쥐의 혈액을 채취하여 각각의 독성수치를 확인하는 실험을 동시에 진행했다.

 3. 연구 성과/기대효과
  ○ 특이적인 폐축적 및 특정한 직경의 나노항암제의 암세포 흡수 활성화 (카베올린)를 통하여 항암제의 유효용량을 낮추고 항암제의 부작용을 대폭 감소할 수 있다.

(그림) 폐암 특이적 나노 항암제
나노물질이 폐에 특이적으로 축적되는 경향을 이용함. 폐혈관에 집중 축적된 후, 카베올린 흡수경로의 활성화를 통해 폐암세포에 나노항암제 흡수가 극대화됨.

󰊳 연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

탄소나노튜브는 십년이 넘게 미래의 약물전달체로서 각광을 받았지만 인체 장기 특이적 축적 및 비용해성으로 인하여 더 이상 약물전달체로서 관심을 받지 못하고 오히려 유해한 물질로서 간주되었다. 특히 폐에 특이적으로 축적되기에 폐독성 물질로 인식되어져 있었는데 역발상으로 독성만 없애면 기존의 항암제를 폐에 집중적으로 표적 할 수 있는 폐 특이적 나노 전달체로 이용될 수 있다고 판단했고, 폐암 항암제로서 의미가 있을 수 있다는 아이디어를 가지고 연구를 시작하게 되었다. 또한 다양한 탄소나노튜브가 직경에 따라 암세포 내 유입경로가 다르다는 것을 연구를 통해 발견하게 되었고, 항암효능 증폭시킬 수 있는 특정 크기의 구조를 확인할 수 있었다. 그 결과 60-100nm의 직경을 갖는 탄소나노약물이 암세포의 카베올린 세포이입의 활성화를 통하여 탁월한 항 폐종양 효능을 보이는 것을 확인했다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

폐 축적 나노물질을 이용하여 폐암 조직 축적(수동 표적화)과 카베올린 중재 세포유입 활성화(능동 표적화)를 동시에 이용하여 폐 종양 조직의 파괴 및 항암효능의 극대화에 기여할 수 있다는 증거를 제공했다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

연구를 수행해 가면서 처음 기획에서 예상하지 못한 흥미로운 결과(특정 직경에 의해 유도되는 카베올린 중재 세포이입 활성화)를 얻을 수 있었다. 이런 기대하지 못했던 결과들의 원인 분석을 통하여 새로운 발견을 할 수 있었고 나노약물의 마우스 내 생체독성을 분석하는데 어려움이 있었는데, 이는 경북대학교 독성학 전문가와 공동연구를 통하여 해결할 수 있었다. 다시 한 번 우리 연구에 참여한 공동연구자들께 감사의 마음을 표한다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

당장 실용화는 힘들겠지만 같은 구조 및 기능을 가진 생분해성 물질을 이용하면 폐암 항암제로서 실용화가 가능할 것으로 기대된다.