[로이슈 임한희 기자] 철산화물이 나노입자를 함유된한 나노베지클(nanovesicle, 나노미터 크기의 소포체)을 외부 자기장으로 손상부위까지 유도해 척수손상을 치료하는 표적치료제 개발 가능성이 제시됐다.

6일 차의과학대학교 분당차병원(원장 김재화) 신경외과 한인보 교수와 서울대학교 화학생물공학부 김병수 교수팀에 따르면 철산화물 나노입자를 함유한 나노베지클(nanovesicle, 나노미터 크기의 소포체)과 외부 자기장을 이용해 척수손상 표적 치료제를 개발했다고 전했다.

2016년 8월부터 2017년 7월까지 철산화물 나노입자가 함유된 나노베지클을 정맥을 통해 척수손상 동물모델의 정맥에 철산화물 나노입자가 함유된 나노베지클을 주입한 뒤 체외에서부 자기장을 이용해 척수손상 부위유도하는 방식으로 치료물질의 손상부위 까지 도달할 확률을 기존의 중간엽줄기세포 정맥주입 방식에 비해 10배까지 높이는데 성공했다.

이번 연구를 통해 철산화물 나노베지클 자기장 유도방식을 적용할 경우 전체 주입량의 15%가 손상부위에 도달하는 것이 확인됐는데, 이는 중간엽줄기세포를 정맥에 주입하는 기존 방식에 비해 척수손상부위 도달률이 8.5~10배 높아진 것이다.

이같은 연구결과는 나노 분야의에서 권위 있는 국제학술지 '나노 레터(Nano Letters)' 최근호에 게재됐다. (Impact Factor, 피인용지수: 12.08).

이번 연구를 통해 한인보 교수와 김병수 교수팀은 정맥으로 주입한 철산화물 나노입자가 함유된 나노베지클을 외부 자기장으로 유도했을 때 전체 주입량의 15%가 척수손상 부위에 도달하는 것을 확인했다. 이는 중간엽줄기세포를 정맥으로 주입했을 때의 척수손상 부위 도달률보다 8.5~10배 가량 향상된 수치다.

기존에도 중간엽줄기세포를 이용한 척수손상 치료가 여러가지 방식으로 시도됐지만 치료물질의 도달률이 너무 낮은데다 심각한 부작용이 수반돼 표적치료제 개발이 어려움을 겪어왔다.

중간엽줄기세포는 다양한 치료인자(단백질, RNA, 마이크로RNA 등)를 분비하기 때문에 척수손상을 비롯해 다양한 난치성 질환에서 일부 일부 치료효과가 확인됐지만 를 보였다.

중간엽 줄기세포가 다양한 난치성 질환에서 일부 치료효과를 보이는 이유는 중간엽 줄기세포로 부터 다양한 치료인자 (단백질, RNA, 마이크로RNA 등)가 분비되기 때문이다. 하지만 종양형성 가능성, 면역 거부, 미약한 치료 효과라는 등의 문제가 있다.

또한 정맥을 통해 주입하는 경우에 크기가중간엽줄기세포는 수십 마이크로미터(100만분의 1미터) 크기여서로 커서 정맥을 따라 이동하는 중에 폐와 간의 모세혈관에 걸려 혈관이 막히는 합병증을이 유발발생할 위험이 같은 한계 있다. 또 척수에 주사바늘을 찔러 치료 물질을 척수에 직접 주입하는 방법은 주사주사 바늘로 인해 척수 조직이 추가로 손상될 수 있어 위험하다.

때문에 이런 문제점을 해결하기 위해로인해 중간엽 줄기세포에서 분비되는 치료인자만을 모아서 이용하는 방법이 많이 연구되고 있는데, 대표적인 예가경우가 엑소좀나노베지클 (exosome)으로 단백질, RNA, 마이크로RNA 등의 물질이 들어있는 나노베지클을 활용하는 방식이다.

작은 크기의 소포이다. 하지만 나노베지클엑소좀을 실제 환자에게 사용하기 위해서는 효능이 증대된 나노베지클엑소좀의을 많이 얻어야 하고, 정맥 주입 후 손상부위 도달 확률 제고가 과제로 제기돼 왔다.

이식한 나노베지클 엑소좀이 병변 부위로 잘 이동해야 한다. 나노베지클은 엑소좀(exosome)이라고도 불린다. 중간엽 줄기세포에서 유래한 나노베지클은 단백질과 DNA, RNA, 여러 대사 산물을 옮길 수 있는 세포에서 분비되는 작은 입자다.

세포간 정보를 전달하는 기능을 이용해 약물을 원하는 신체기관에 원하는 만큼 전달하는 기술이 개발 중이다. 그래서 나노베지클은 차세대 줄기세포 치료기술로 불리며, 관절염 치료제부터 항암제 개발에 이르기까지 다양한 분야에서 연구가 이루어지고 있다.

척수 손상 환자에게 치료물질을 가장 안전하게 주입할 수 있는 방법은 정맥 주입한인보 교수와 김병수 교수팀은 중간엽줄기세포를 정맥으로 주입하는 방법의 단점을 해결하고, 척수손상 부위까지 치료물질의 도달률을 높이기이 같은 어려움을 해결하기 위해 철산화물 나노입자를 함유한 나노베지클에 철산화물 나노입자를 함유시킨 뒤과 외부 자기장을 활용했다.

연구팀은 중간엽줄기세포에 철산화물 나노입자를 이입할 경우 일반적인 나노베지클에 비해 단백질과 RNA, 마이크로RNA 등의 치료인자가 대량으로 생성된다는 기존 연구결과에 착안해 연구를 진행했다. 또 이렇게 분비된 나노베지클에는 철산화물이 함유돼 있어 자기장을 통해 유도할 수 있다는 특성을 활용해 정맥을 통한 손상부위 도달률 증대를 시도했다.

이기 때문에 정맥 주입시 척수손상 쥐 모델에서 효능이 증대된 엑소좀이 척수손상 병변부위로 잘 이동하게 하여 치료 효과를 증진시킬 수 있는 기술을 개발하였다.

먼저 중간엽 줄기세포의 치료물질 분비 기능을 증대시키기 위한 방법으로 철산화물 나노입자가를 중간엽 줄기세포에 이입을 시켰으며, 철산화물 입자가 이입된 중간엽 줄기세포를 압출하는 방식을 통해 보다 많은 양의 나노미터 크기의 나노베지클 (nanovesicle)을 얻을 수 있었다.

연구결과 철산화물 입자가 이입된 중간엽 줄기세포에서 획득한 나노베지클은 일반적인 나노베지클엑소좀에 비해 단백질, RNA, 마이크로RNA 등의 치료인자가 많이 분비되는 것을 확인했하였다.

또한, 정맥으로 주입한 치료 약물의 효과가 증대되려면 약물이 병변 부위로 잘 이동해야 한다.

연구팀은 철산화물 입자가 이입된 중간엽 줄기세포에서 획득한 나노베지클이 자성이 있는 것을 확인하여해, 척수손상 동물쥐 모델의 손상부위에 자석을 올려놓고 정맥에 철산화물 함유 나노베지클을 주입한 에서 척수손상 부위에 자석을 놓은 결과 나노베지클의이 척수손상 병변 부위 도달률이 로 잘 이동한크게 높아졌 것을 확인하였으며, 치료효과도 더 우수한다는 것을 확인하였했다.

시험에서 중간엽줄기세포가 치료 효과가 있어 중간엽줄기세포를 이용한 임상시험이 시도되어 왔다. 하지만 중간엽줄기세포를 정맥으로 투여하는 경우 크기가 수십 마이크로미터(100만분의 1미터)로 커서 폐, 간 등 밀도가 치밀한 장기를 통과하지 못해 척수손상 부위로 이동이 어렵고, 대부분의 줄기세포가 폐 또는 간의 혈관을 막는 색전증이 발생하여 위험한 상태가 발생할 수 있다.

반면 중간엽줄기세포에서 분비된 나노베지클은 줄기세포가 분비하는 치료 인자인 단백질과 RNA를 함유하고 있을 뿐만 아니라 나노미터(10억 분의 1미터) 크기로 아주 작아 정맥으로 주사해도 폐와 간을 통과할 수 있고, 세포가 아니기 때문에 종양형성 위험성도 없다.

하지만 나노베지클은 정맥을 통해 주입하면 전신에 펴져 척수손상 부위에는 나노베지클을 정확하게 전달하지 못하는 단점이 있었다.줄기세포를 이용해 척수손상을 치료할 때 줄기세포는 크기가 수십 마이크로미터(100만 분의 1미터)의 크기 때문에 폐, 간 등의 장기에 걸려 척수손상 병변 부위로 이동이 어렵고, 종양 형성 가능성의 문제점이 있다.

반면 나노베지클은 줄기세포가 분비하는 치료 인자인 단백질과 RNA(RiboNucleic Acid; 유전정보 전달에 관여하는 핵산의 일종)를 함유하고 있을 뿐만 아니라 나노미터(10억 분의 1미터) 크기로 아주 작아 이동 시 폐, 간 등의 장기에 걸리지 않는다. 하지만 나노베지클은 정맥을 통해 주입하면 척수손상 병변 부위에 우선적으로 이동하지 않는 단점이 있다.

연구팀은 나노베지클의 단점을 극복하고 치료 효율을 극대화하기 위해 철산화물 나노입자를 줄기세포에 함유시킨 후, 세포로부터 철산화물 나노입자가 함유된 나노베지클을 생산했다. 그 결과 철산화물 나노입자를 함유한 중간엽 줄기세포와 나노베지클에서 치료물질 단백질과 RNA 함유량이 증가했다. 또한 철산화물 나노입자가 함유된 나노베지클을 정맥을 통해 척수손상 동물모델에 주입 후 외부 자기장을 가하여 나노베지클이 척수손상 부위에 효율적으로 이동하도록 하여서 척수손상 치료 효과를 극대화했다.

분당차병원 신경외과 한인보 교수는 “중간엽 줄기세포를 이용한 치료는 종양 형성 가능성, 면역 거부 반응 등 한계점을 가지고 있지만, 중간엽 줄기세포 유래 나노베지클은 면역 거부 반응을 일으키지 않을 뿐만 아니라 종양을 형성하지 않아 안전하다”며 “동물연구를 통해 척수손상 표적치료제의 안전성과 치료효과를 높일 수 있다는 것이 확인됐다”고 말했다

이어 “앞으로이번 연구를 통해 더욱 안전하고 효과적인 척수손상 치료제 개발 가능성을 제시했고, 향후 척수손상 환자를 대상으로 MRI 등 자기장을 이용하는 의료장비를 적용해 나노베지클 임상시험을 진행할 초석이 마련됐다는 점에서 의의가 크다”고 강조했다.

임한희 기자 newyork291@lawissue.co.kr