화학공학/고분자공학부 방석호 교수, 종양 제거 및 검출용 전도성 하이드로겔 개발

- 활성산소 반응성 하이드로겔 기반 종양 제거 기술

- 전도성 기반 기계 및 전자제어를 통한 무선 모니터링 구현

▲ 화학공학/고분자공학부 방석호 교수(왼쪽, 교신저자)와 임광범 박사(오른쪽, 제1저자)

화학공학/고분자공학부 방석호 교수 연구팀(제1저자 임광범 박사)이 한국교통대 박성영 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 활성산소 반응성 기계 및 전자 제어가 가능한 전도성 하이드로겔 센서를 개발하였다.

암은 발병률과 치사율이 높기 때문에 인간의 건강에 심각한 위협이 된다. 조기 진단과 암 예방이 전 세계적으로 주요한 목표이며, 외과적 수술을 통해 모든 악성 조직을 감지하고 제거하기가 어려움이 존재한다. 면역 센서 및 면역 분석과 같은 종양 마커를 기반으로 하는 기존의 암 세포 검출 기술은 정교한 기술을 사용하는 임상 실험실에서 측정이 수행되기 때문에 임상 사용에 적합하지 않으며, 체액 수집과 결과 기록 사이에 적지 않은 시간이 소요된다. 따라서, 전문지식이나 특별한 지식 없이도 신속하고 구체적인 결과를 얻을 수 있는 새로운 방법에 대한 필요성이 대두되며, 현 연구에서는 휴대용 검사를 통해 암 환경을 선택적이고 정확하게 감지할 수 있는 휴대용 감지 방법에 대한 연구가 진행되었다.

하이드로겔은 대표적인 생체 적합성 소재로 유체 흡수를 위해 기공 크기를 조정할 수 있는 장점으로 바이오센싱에 이용되었다. 특히, 하이드로겔에 나노입자가 혼입된 전도성 하이드로겔은 온도, 산화환원, pH, 빛, 압력, 변형률 등 다양한 자극에 대한 전자신호를 감지할 수 있다. 그러나 세포외 pH 및 글루타티온(GSH)에 반응하는 하이드로겔에 기반한 의학적 진단 검사에 초점이 맞춰진 전례가 거의 없었으며, 압력-변형을 감지하는 하이드로겔을 기반으로 암 미세환경에 대한 연구가 진행된 전례가 없었다.

방석호 교수 연구팀은 ROS 반응성 디셀레나이드 탄소 도트 하이드로겔(dsCD-Hydrogel)을 기반으로 한 암 미세환경 선택적 전도성 하이드로겔 센서를 개발하였다. 이 센서는 높은 활성산소를 함유한 종양 미세 환경 속에서 디셀레나이드 결합을 파괴하여 암 선택성을 제공한다. 암세포의 존재는 정상 세포보다 더 큰 압력 및 변형 감지 반응을 모니터링하여 식별할 수 있다. 또한, dsCD-Hydrogel은 무선 감지 장치와 함께 사용되어 종양 보유 마우스에서 하이드로겔의 감지 기능을 모니터링할 수 있으며 스마트폰을 사용하여 현장 및 현장 외 감지 데이터를 수집할 수 있다.(그림1)

▲ 방석호 교수 스마트폰을 이용한 모니터링이 가능한 하이드로겔 기반 감지 시스템

연구팀이 개발한 하이드로겔은 dsCD의 활성산소 소거 및 광열 효과는 각각 혈관 내피 성장 인자(VEGF) 및 저산소증 유발 인자 1α(HIF-1α)를 하향 조절하고 종양 세포 제거를 유도하여 종양 크기를 감소시키는 것으로 확인됐다.(그림 2)

▲ 마우스 내 활성산소 소거 및 광열효과에 대한 자료

방석호 교수와 박성영 교수는 “후속 연구를 통해 암치료에 적합한 하이드로겔 센서 시스템을 구축하고, 이후 종양에 대한 신속 검출을 위한 실제 응용 가능성을 확인할 예정이다.”고 설명했다.

해당 연구 결과는 화학공학분야 세계권위지인 케미컬 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal, IF: 13.273)에 12월 5일 온라인 게재되었다.

※ 논문제목: ROS-responsive mechanically and electronically controllable conductive hydrogel sensor with NIR modulated photothermal therapy

※ 저널: Chemical Engineering Journal

※ 논문링크: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140729