약학과 윤유석 교수, 적혈구 생체 모사 광감작형 종양사멸 유도 헤모글로빈 마이크로겔 개발

- 저산소증 난치암의 새로운 치료법 제시

▲ 김한주(제1저자), 윤조현(제2저자), 윤유석 교수(교신저자)

약학과 윤유석 교수 연구팀(제1저자 김한주 박사과정 연구원)이 적혈구 생체모사 광감작형 종양사멸 유도 헤모글로빈 마이크로겔을 개발하여 저산소증 종양(hypoxic tumors) 치료법을 제시하였다.

암 형태의 대부분을 차지하는 고형암은 비정상적이고 복잡한 혈관 구조 때문에 세포에 충분한 산소를 공급할 수 없어 수많은 저산소 영역을 가지고 있다. 정상 조직의 산소 수치가 보통 30~52mmHg(3.9~6.8%)인데 비해서 저산소증 종양 조직은 5mmHg(<0.7%) 미만으로 매우 낮으며, 이러한 저산소 상태는 항암활성 발현에 산소가 반드시 요구되는 많은 화학요법제, 방사성의약품 및 감광제와 같은 항암제 치료 효율을 크게 떨어트려 치료의 중대한 장애요인이다. 따라서 저산소증 종양을 치료하기 위해서는 충분한 산소 공급이 필수적이며, 학계에서는 그간 저산소증으로 인한 암 치료 내성을 극복하기 위해 조직 내 산소 레벨을 높이는 전략이 연구되어 왔다.

윤유석 교수 연구팀은 고효율 산소운반 능력과 근적외선 조사에 의한 광열성을 지니는 적혈구 헤모글로빈(Hb) 내 heme(iron protoporphyrin IX)의 특성에 기인하여 (i)열을 방출할 수 있고 (ii)산소를 공급하고 (iii)근적외선 레이저 조사에 반응하여 활성산소(ROS; 1O2)를 생성할 수 있는, 적혈구와 동일한 크기(5~6μm)를 갖는 생체모사 헤모글로빈 마이크로겔을 설계 및 제조하였다.

헤모글로빈 마이크로겔은 혈청 알부민, chlorine e6(Ce6) 및 808nm 근적외선광을 660nm 가시광선으로 효과적으로 변환하는 업컨버전 나노입자로 구성된다. 업컨버전 현상은 장파장을 단파장으로 변환시켜 두꺼운 종양조직의 투과를 개선하는 역할과 Ce6의 활성산소 발생에 필요한 단파장으로의 효율적 전환을 촉진하는 역할을 한다. 아울러 heme의 광흡수 현상을 이용하여 근적외선의 조사량과 조사 시간을 조절해 열방출과 온도상승을 유도하여 저산소증 종양의 혈관을 확장하여 산소이동을 개선하는 방식으로 산소분압을 높이거나 심한 고열을 유발하여 종양 자체를 아폽토시스 기전으로 직접 사멸할 수 있는 두 가지 기능을 헤모글로빈 마이크로겔에 추가로 탑재시켰다.

연구팀은 완성된 업컨버전 나노입자 봉입 헤모글로빈 마이크로겔의 산소공급, 활성산소 발생 및 광열성 유도라는 세 가지 기능을 통해 저산소증 암세포가 이식된 마우스의 종양 성장과 증식을 효율적으로 사멸 억제하였다고 밝혔다. 결과적으로 in situ 주사 가능한 적혈구 크기의 마이크로겔(5–6μm) 플랫폼 제제로서 국소주입형 항암 주사제의 새로운 가능성을 제시할 것으로 전망한다.

이번 연구성과는 한국연구재단의 바이오의료기술개발사업 및 선도연구센터지원사업(MRC) 지원으로 수행되었으며, 소재과학 분야 세계적 학술지인 Bioactive Materials(IF: 16.874, JCR ranking 2.0%) 2023년 4월호에 게재되었다.

※ 논문명: Upconverting nanoparticle-containing erythrocyte-sized hemoglobin microgels that generate heat, oxygen and reactive oxygen species for suppressing hypoxic tumors

※ 논문링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22004169