- 세포소기관 표적성과 산화-환원 교란 결합해 항암 효과 극대화

- 화학공학 분야 세계적 권위지 ‘Chemical Engineering Journal (IF=13.2)’에 연구 성과 게재

△세포소기관 표적성과 산화-환원 교란을 결합한 차세대 항암 나노플랫폼의 개념도

 가톨릭대학교(총장 최준규) 약학대학 강한창 교수 연구팀이 암세포의 산화-환원 균형을 파괴하는 동시에 특정 세포소기관을 정밀 타격하는 ‘차세대 항암 나노플랫폼’을 개발해 항암 치료의 새로운 가능성을 제시했다.

 일반적으로 약물은 고유 성질에 따라 특정 세포소기관에 축적돼 약효를 발휘한다. 특히 동일한 화학구조의 약물이라도 염(salt)의 유무에 따라 친수성과 소수성이 달라져 핵이나 미토콘드리아 등 서로 다른 세포소기관으로 전달될 수 있다. 하지만 그동안은 약물 간의 세포막 투과성 차이로 인해 세포 내 유입량이 달라지고, 정밀한 세포소기관 표적성을 구현하는 데 한계가 있었다.

 강한창 교수 연구팀은 이를 해결하기 위해 암세포의 환원 환경에서 선택적으로 분해되는 디셀레나이드(Se-Se) 폴리머좀(PSe₂-NP) 나노플랫폼을 설계했다. 이 플랫폼은 친수성 약물은 코어에, 소수성 약물은 막에 각각 탑재해 세포질에서 서로 다른 방출 속도를 구현할 수 있도록 제작됐다.

 개발된 플랫폼은 항산화 물질인 글루타치온(GSH)을 소모하고 유해 활성산소(ROS)를 증가시켜, 암세포의 에너지원인 미토콘드리아의 산화-환원 균형을 선제적으로 파괴한다. 이 과정에서 탑재된 약물에 따라 두 가지 정밀한 세포소기관 표적성을 구현한다. 친수성 약물을 탑재한 플랫폼은 미토콘드리아의 산화환원 교란과 핵 DNA 손상을 동시에 유도하며, 소수성 약물을 탑재한 플랫폼은 미토콘드리아의 전자전달계 교란과 기능 손상을 집중시킨다.

 연구팀이 대장암 마우스 모델에 적용한 결과, 두 나노 제형은 각각 66%와 62%의 높은 종양 성장 억제율을 기록했다. 특히 약물과 전달체 간의 병용지수(CI) 분석 결과 모두 강력한 시너지 효과(CI<1)를 확인했다.

 이번 연구 성과는 화학공학 분야 세계 상위 3% 이내의 권위 있는 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal (IF=13.2)’에 지난 3월 16일 온라인 게재되며 학문적·기술적 우수성을 동시에 인정받았다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단, 보건복지부·보건산업진흥원, 교육부·기초과학지원연구원의 지원으로 수행됐다.

 연구 책임자인 가톨릭대 강한창 교수는 “동일한 화학구조의 약물이라도 극성만 변화시켜 세포소기관 표적성을 조절하고, 나노플랫폼으로 암세포의 생존·사멸 항상성을 동시에 교란하면 약효 시너지를 극대화할 수 있다”며 “향후 질환 맞춤형 차세대 나노플랫폼 연구를 지속해 나가겠다”고 밝혔다.

(그림) 세포소기관 표적성과 산화환원 교란을 결합한 차세대 항암 나노플랫폼의 개념도

암세포의 환원 환경에서 선택적으로 분해되는 디셀레나이드(Se-Se) 결합 기반의 양친매성 고분자인 폴리(ε-카프로락톤)-Se-Se-폴리(ε-카프로락톤)(PSe₂-P)을 합성하여

수상에서 형성시킨 폴리머좀(PSe₂-NP)의 구조와 작용 기전을 보여준다.

실제 적용에서 친수성 독소루비신 염산염(HP)을 탑재한 HP@PSe₂-NP는 미토콘드리아 산화환원 교란에 더해 핵 DNA 손상을 유발하는 이중 소기관 표적(Dual Organelle Targeting)을 수행하며,

소수성 독소루비신 자유염기(HB)를 탑재한 HB@PSe₂-NP는 미토콘드리아 전자전달계 교란과 기능 손상을 집중시키는 단일 소기관 표적(Single Organelle-Focused Targeting)을 통해 암세포를 정밀 타격한다.