화학공학/고분자공학부 방석호 교수, 

항암 치료를 위한 pH 반응성 다중 구획 약물 전달체 개발

- 종양 내부 산소 공급으로 압전촉매 기반 항암 치료 효과 증진 확인

▲ (왼쪽부터) 성균관대 방석호 교수, 인천대 심민석 교수, 고려대 봉기완 교수

화학공학/고분자공학부 방석호 교수 연구팀은 인천대 나노바이오공학전공 심민석 교수 연구팀, 고려대 봉기완 교수 연구팀과 공동연구를 통해 항암 치료를 위한 pH 반응성 다중 구획 약물 전달체를 개발하였다.

암 치료법은 암의 종류, 진행 정도, 개인의 건강 상태 등에 따라 다양하다. 그 중 널리 알려진 방법은 수술을 통한 종양 절제와 방사선 치료를 통한 종양 파괴 및 성장 억제, 항암 약물 치료 등이 있다. 하지만 이들은 종양의 위치, 개인의 건강 상태 등 환자의 조건에 큰 영향을 받는 방식이라 한계가 분명하며 새로운 방식의 항암 치료법이 계속 연구되고 있다.

기존 암 치료의 경우 화학요법으로 인한 부작용으로 주변 정상 조식의 세포 사멸이 일어나는 위험이 있어 외부 물리력을 받아 활성산소를 생성하여 암세포의 사멸을 유도하는 압전 나노 물질 기반의 항암 치료법이 효과적인 암 치료 전략으로 주목을 받고 있다.

▲ 압전촉매 기반 pH 반응성 다종 구획 운반체의 암세포 사멸 기전

압전 나노 물질의 경우 초음파와 같은 기계적인 자극을 받아 압전촉매 효과에 의한 산화환원 반응을 통해 활성산소를 생성하여 세포의 사멸을 유도하는데, 이런 치료법은 물질의 투여 이후 목표 부위에만 초음파를 조사하여 선택적으로 암세포를 제거할 수 있다. 그러나 활성산소를 생성하는 과정에서 산소가 소모되고, 물질이 투여된 암 내부는 저산소 환경이라는 한계점이 존재한다.

이에 공동 연구팀은 주입된 압전 나노 물질이 효과적으로 활성산소를 발생시킬 수 있도록 종양 내부에서 자체적으로 산소를 공급할 수 있는 압전촉매 기반의 pH 반응성 다중 구획 약물 전달체를 개발하였다. 이 입자는 압전촉매인 금 나노입자 코팅 산화아연 나노로드(Au@P-ZnO NRs)와 산소를 생성할 catalase(CAT)를 탑재하였고, 산성 조건에서 분해되도록 설계되었다. 산성 조건인 종양 내부에 주입된 입자는 순차적으로 분해되고, 초기에 먼저 방출된 CAT는 암세포 내부로 들어가 산소를 생성하며 이것은 나중에 방출되는 Au@P-ZnO NRs의 활성산소 발생 효율을 증가시켜 높은 효율의 세포 사멸을 유발한다. 위와 같은 특성은 산성 조건인 종양 내부에서만 작동하여 주변 정상 조직의 피해를 줄일 수 있다.

나아가 연구팀은 pH 반응성 다중 구획 약물 전달체가 실제 마우스의 종양에 주입되어 암세포의 빠른 세포 사멸을 유도하였음을 확인할 수 있었고, 저산소 조건에서 발현되는 인자인 Hif-1 alpha의 발현도 크게 감소한 것을 확인하였다.

▲ pH 반응성 다중 구획 약물 전달체의 in vivo 치료능 확인

방석호 교수는 “후속 연구를 통해 임상 연구에서의 실제 응용 가능성을 확인할 예정”이라고 설명했다.

연구팀의 이번 연구 결과는 화학공학 분야 세계권위지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials, IF: 19) 저널에 1월 24일 온라인 게재되었으며 내부 표지 논문(inside cover)으로 선정되었다.

※ 논문제목: Oxygen-Supplying Piezocatalytic Therapy of Hypoxic Tumors by Intratumoral Delivery of pH-Responsive Multicompartmental Carriers with Sequential Drug Release Capability

※ 저널: Advanced Functional Materials

※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202306078