노영훈 교수팀, DNA 하이드로겔 결정도 조절을 통한 질병 부위 접착용 항암 치료제 개발

DNA 하이드로겔 결정도 조절을 통해 암 조직에만 접착하는 항암 치료제의 생체 내 안정성, 암세포 표적능, 약물 전달 효능 최적화 성공

약학&약리학 분야 세계적인 학술지 ‘Journal of Controlled Release’ 게재

[사진. (왼쪽부터) 남건욱 박사(제1저자), 노영훈 교수(교신저자)]

생명시스템대학 생명공학과 노영훈 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST, 최기영 박사, 한화승 박사)과 공동연구를 통해 결정도 조절이 가능한 주사투여용 고분자 DNA 하이드로겔을 개발했다. 이번 연구로 국소 치료를 통해 생체 내 부작용을 최소화하며 효과적으로 항암 치료를 하는 기술이 개발됐다.

최근 핵산(DNA, RNA)은 높은 나노 단위 조절성과 염기서열의 상보 결합을 통한 특이적 결합능으로 기존에 알려져 있던 유전자 정보뿐만 아니라 재료적, 구조적, 기능적, 생체친화적 나노바이오 소재로서의 활용이 각광받고 있다. 핵산의 정교한 조절성과 더불어 주변 환경에 반응해 구조가 변하는 동적 DNA 나노구조체(dynamic DNA nanostructures)는 특정 환경에서의 약물 방출성, 세포 표적능과 같은 기능성을 부여해 약물 전달, 조직공학, 질병 진단 등 다양한 생명공학 분야에 응용 가능성을 제시하고 있다. 이러한 폭넓은 장점에도 불구하고 핵산은 생체 환경에서의 낮은 생리학적 안정성과 기능성 염기서열의 낮은 탑재량 및 효율로 인해 실제 활용에는 어려움을 겪고 있다.

이를 해결하기 위한 수단 중 하나로 ‘회전환복제기작(rolling circle amplification)’이 주목받고 있다. 회전환복제기작은 기능성 DNA와 중합효소를 이용해 긴 가닥의 고분자 DNA를 복제하는 방법으로, 생산된 DNA는 부산물로 만들어진 무기결정과 결합해 하이드로겔을 형성한다. 형성된 하이드로겔은 고체이지만 액체와 같이 흐르는 성질과 특정 환경에서 모양을 다시 회복하는 형상기억능을 가진다. 또한 높은 기능성 핵산 탑재량에 기반해 안전하고 효율적인 약물 전달이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 회전환복제기작 조절법에서 생성되는 결정구조가 핵산 구조체의 기능성과 생체 내 안정성, 하이드로겔의 물성 등에 미치는 영향에 대한 연구가 없었던 실정이다.

연구팀은 DNA 하이드로겔의 암 치료 효능을 극대화하기 위해 암세포 표적능을 가진 압타머(aptamer) 서열과 암의 특정 pH 환경에서만 약물제어방출이 가능한 I-motif 서열을 도입해 회전환복제기작을 진행했다. 또한 DNA 하이드로겔의 결정도를 조절하기 위해 회전환복제기작 과정에서 이온과 결합하는 것으로 알려진 ‘디티오트레이톨(DTT)’의 비율을 조절했다. 합성된 하이드로겔의 생체 내 안정성, 물성, 핵산의 기능성, 항암 효과를 확인한 결과, DTT 함량 조절을 통해 회전환복제기작으로 합성되는 하이드로겔의 결정도 조절이 가능했고, 이에 따른 생체 내 안정성과 물성 조절이 가능했다.

이번 연구의 가장 중요한 발견은 하이드로겔의 결정도가 낮을 때 암 환경에서 조절된 약물 방출 및 특이적 암세포 부착능이 가장 효과적임을 확인한 것이다. 동물 수준에서도 낮은 결정도의 하이드로겔이 기존 약물을 단일 투여한 쥐 대비 2배 이상의 항암 효과를 나타낸 것으로 확인됐다. 결정도에 따라 하이드로겔의 약물 탑재량, 방출 속도, 생체 내 안정성, 점탄성, 기능성 핵산의 효율 등과 같은 물리화학적 성질의 조절이 가능한 점을 고려했을 때 결정도 조절을 통해 바이오의료 응용에 적합한 하이드로겔 합성이 가능함을 검증했다.

[그림. 회전환복제기작의 DNA 중합효소 반응 조절을 통한 다양한 결정도의 고분자 DNA 하이드로겔 개발 모식도]

노영훈 교수는 “이번 연구는 암과 같은 질병 부위 접합성이 강한 생체친화적 기능성 핵산나노구조체 도입으로 부작용이 최소화된 약물 전달 플랫폼 최적화 연구”라며, “본 연구에 사용된 기법은 DNA 효소 공법으로 경제성 및 생산 효능이 매우 높기 때문에 다양한 바이오의료 분야에 최적화된 핵산을 대량생산하는 차세대 고부가가치 산업에 적용 가능할 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 밝혔다.

본 연구는 그 우수성과 독창성을 인정받아 약학 및 약리학 분야의 국제 학술 권위지 ‘Journal of Controlled Release (IF 11.5)’ 3월호에 출간된다. 우리 대학교 남건욱 박사가 제1저자로, 김영민 박사, 최인석 학생, 김태형 박사, 한국과학기술연구원 한화승 박사, 최기영 박사가 공동저자로 참여했다.

논문정보

● 논문제목: Crystallinity-tuned ultrasoft polymeric DNA networks for controlled release of anticancer drugs

● 논문주소: https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2023.01.056

용어설명

● 회전환복제기작(Rolling circle amplification): 회전환복제기작은 효소 반응을 통한 DNA 복제 공정이다. 복제하고자 하는 염기서열을 내포하는 DNA를 동그란 환형 형태로 만든 뒤 DNA 중합효소를 활용해 반복적으로 생산한다. 복제된 DNA는 하나의 긴 DNA 사슬가닥으로 합성되며 회전환복제기작 반응에서 형성되는 무기결정과 결합하고 서로 얽혀 고분자 DNA 하이드로겔을 형성한다. 합성된 DNA 하이드로겔은 DNA 서열 복제로 인해 높은 기능성 DNA의 탑재량을 갖고 있으며 고분자화 및 무기결정과의 결합으로 인해 생체 내 안정성이 매우 개선된다. 하지만 무기결정이 기능성 DNA의 효율에 미치는 영향이 잘 알려지지 않아 DNA 하이드로겔의 결정도 조절 연구가 필요했다.

● 형상기억능(Shape memory): 형상기억능은 환경에 따른 하이드로겔의 가역적 성질 및 형태 변화를 의미한다. 형상기억능을 가진 하이드로겔은 흐르지 않는 고체 형태를 나타내다가도 열, 수분, 표적 물질과 같은 자극 인자를 마주했을 때 액체처럼 흐르는 성질을 나타낸다. 해당 인자가 사라졌을 경우 다시 고체 형태 및 기존 모양으로 돌아오기에 환경에 따른 성질 변화가 필요로 되는 응용에 주로 활용되고 있다. 본 연구에서는 DNA 하이드로겔을 암 조직 부위에만 보다 밀접하게 접착하기 위한 목적으로 사용했다.

● 동적 DNA 나노구조체(Dynamic DNA nanostructures): 동적 DNA 나노구조체는 환경에 반응해 선형 구조에서 다른 형태의 2차 구조를 형성하는 DNA 염기서열을 의미한다. DNA를 재료적, 구조적, 기능적 물질로 활용하는 본 연구에서는 이러한 동적 DNA 나노구조체를 도입해 자극 감응성 및 항암 표적능과 같은 기능성이 도입된 약물 전달체를 개발했다.

● DNA 사중나선구조(I-motif DNA): I-motif는 동적 DNA 나노구조체의 한 종류로서 낮은 수소이온농도지수(pH)에 감응해 2차 사중나선구조를 형성하는 시스테인이 풍부한 DNA 염기서열로 구성돼 있다. 본 연구에서는 이러한 pH 감응성 구조 형성을 이용해 암 조직의 공격적인 세포 분열로 인한 약산성 환경(pH 6.4)이나 세포 내 전달됐을 때 외부 물질을 분해하는 방어 기작인 엔도좀 환경(pH 5.0)에서만 특이적으로 약물 방출하는 기능성 물질로 활용했다.

● 압타머(Aptamer): 압타머(aptamer)는 표적 물질과 특이적 결합이 가능한 삼차원 구조를 형성하는 기능성 핵산 구조체이다. 기존 표적 기능기로 활용되는 항체의 장점을 가지면서 단점을 보완하는 차세대 표적 기능기로 각광받아 항체를 대체하는 치료제 및 표적 약물 전달체, 진단키트와 생체 이미징 분야로 활용돼 왔다. 본 연구에서는 암 세포막 표면에 과발현돼 있는 수용체와 특이적 결합이 가능한 고분자형 압타머 서열을 도입해 일반 세포에겐 무해하지만 암세포나 조직에만 부착 가능하도록 설계해 약물이 질병 부위에만 보다 효과적으로 전달 가능하도록 했다.