보건복지부 혁신형 세포치료 연구중심병원사업단 (단장, 서울대학병원 박영배 교수)과 교육과학기술부의 미래유망 융합기술 파이오니어 사업을 수행 중인 생체응용 나노결정 융합연구단 (단장, 고려대 김영근 교수)이 두 팀 간의 학제간 융합연구를 통해 나노융합기술 기반의 신개념 항암 면역세포 치료기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구는 연구단 소속의 서울대학교(총장, 오연천) 의과대학 연구팀(미생물학교실 조남혁 교수, 성승용 교수)과 고려대학교(총장, 김병철) 공과대학 연구팀(신소재공학부 김영근 교수)이 학제간 융합 연구를 통해 속은 산화철, 껍질은 산화아연으로 구성된 코어-쉘 구조의 나노입자를 제조한 후 수지상세포에 탑재했다.

이후 동물실험을 통해 종래의 수지상세포 치료기술보다 항암 치료 능력이 뛰어난 결과를 얻는데 성공했다.

나뭇가지 모양을 갖는 수지상 세포는 인체 내에 존재하는 면역세포로, 이를 이용한 암치료 기술은 지난해 4월 미국내 최초로 덴드리온사가 FDA의 승인을 받은 바 있지만 환자에서 약 40일의 생존 이득만이 관찰됐다.

환자에 수지상 세포를 주사하면 림프절로 이동해 암세포를 죽일 수 있는 T-세포를 교육시킨다. 수지상세포로부터 교육을 받은 T-세포는 암조직으로 이동해 암세포의 증식을 억제하게 한다.

즉 T-세포는 암에 맞서 최일선에 싸우는 병정 세포라 볼 수 있으며, 수지상세포는 T-세포가 암과 잘 싸울 수 있게 T-세포를 자극시키는 훈련관이라 볼 수 있다.

따라서 T-세포가 적군(암)의 특징(항원)을 잘 인식할 수 있도록 충분한 양의 항원을 수지상세포에 탑재하는 것과 환자의 림프절에 많은 수지상세포가 이동하도록 하는 것이 수지상세포를 이용한 면역세포치료의 핵심사항이다.

기존의 방식들은 이런 종양특이항원의 탑재효율이 낮거나 이를 객관적으로 모니터링 하는 것이 어려워 항암치료에 어려움을 겪어왔다.

연구진은 이런 문제를 해결하기 위해 직경 10nm의 나노입자에 초정밀 기술을 활용해 항암면역세포치료에 필요한 3가지 기능을 동시에 갖도록 했다.

즉 이번에 개발한 나노입자는 마치 호두처럼 내부는 산화철(Fe3O4), 껍질은 산화아연으로 이뤄진 구조로 산화철은 자성을 띄므로 자기 MRI 영상, 산화아연(ZnO)은 반도체로 발광현상에 의한 형광영상을 각각 제공한다.

나노입자의 체내 독성도 향후 임상에 영향을 미칠 수 있으므로 연구진은 재료 선택시 이런 점을 고려했다.

산화철 나노입자는 이미 MRI 영상조영제로 널리 쓰이고 있으며, 산화아연 나노입자는 자외선차단제인 선블럭크림에 쓰이고 있어 다른 반도체재료보다 독성이 없음이 이미 알려져 있는 소재다.

또 산화아연 표면에 스카치테이프 역할을 하는 생체분자인 펩타이드 서열을 고안해 암세포에만 있는 분자항원을 나노입자에 부착할 수 있도록 설계했다.

이런 복합구조의 나노입자를 수지상세포에 넣고, 암에 걸린 쥐들에 주사했을 때 다른 대조군에 비해 현저히 향상된 항암효과를 관찰했다.

또 개발된 나노입자 구조체는 기존의 MRI 조영제와 달리 약 1시간 내에 수지상세포 탑재가 가능하고, 종양특이항원의 수지상세포 내 전달, 수지상세포의 인체 내 전달을 동시에 확인할 수 있는 다기능성을 보유하고 있다.

이번 연구결과는 나노기술 분야의 최고 권위의 학술지인 영국 '네이쳐 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)' 9월 11일자 온라인 판에 ‘A multifunctional core-shell nanoparticle for dendritic cell-based cancer immunotherapy’란 제목으로 게재됐다. 

이번 연구에는 국립암센터 이상진, 김대홍 박사, 포항공과대학교 생명과학부 양재성, 김상욱 교수가 참여했고, 서울대학교 박사과정 정택진, 고려대학교 박사과정 민지현 학생, 고려대학교 우준화 연구교수가 실험을 진행했다.

현재 이번 연구와 관련한 나노입자 제조기술은 이미 우리나라, 일본, 미국 특허가 등록된 상태며, 펩타이드를 포함하는 산화아연 복합체 기술은 PCT 특허를 출원한 상태다.

이번 연구는 보건복지부, 교육과학기술부, 지식경제부 등의 지원을 받아 융합 과학기술 개발의 일환으로 수행됐다.

한편 복합기능 나노입자는 MRI촬영에 활용 가능한 자기적 특성, 형광영상 촬영에 가능한 광학적 특성, 암항원의 수지상세포내 전달에 필요한 생체기능성 등 두 가지 이상의 기능을 동시에 구현할 수 있도록 고안된 나노입자다.

펩타이드 서열은 여러 개의 아미노산이 공유결합으로 연결된 중합체. 일반적으로 크기가 작은 단백질을 말한다.

수지상세포 기반 항암 면역치료기술은 선천면역계화 후천면역계를 기능적으로 연결해 면역반응을 활성화 시키는데 핵심적인 역할을 수행하는 면역세포인 수지상세포를 인위적으로 조절, 암에 대한 면역반응을 증강시켜 암을 치료하는 환자 맞춤형  의료 신기술. 미국 FDA는 2010년 덴드리온사의 전립선암에 대한 수지상세포 치료제를 최초로 허가했다.