보도자료

[2023. 2. 22.] 연세대 노영훈 교수팀, DNA 하이드로겔 결정도 조절을 통한 질병 부위 접착용 항암 치료제 개발 2023.02.22

신촌 홍보팀

연세대 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 -

연세대학교 노영훈 교수(생명공학과) 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.

연세대 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. 연세대 남건욱 박사가 제1저자로, 연세대 김영민 박사, 최인석 학생, 김태형 박사, 한국과학기술연구원 한화승 박사, 최기영 박사가 공동저자로 참여했다.

붙임 1. 연구진 사진 1장.

2. 그림 1장.

3. 하이드로겔 영상 1개.

(연구진 사진 설명)

(왼쪽부터) 연세대 남건욱 박사(제1저자), 연세대 노영훈 교수(교신저자)

(그림 설명)

회전환복제기작의 DNA 중합효소 반응 조절을 통한 다양한 결정도의 고분자 DNA 하이드로겔 개발 모식도

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