서울대학교 공과대학은 재료공학부 강승균 교수팀이 한국과학기술연구원(KIST) 이효진 박사팀, 광운대학교 김정현 교수팀, 경상국립대학교 김성찬 교수팀과의 공동 연구를 통해, 항암제를 암 조직 중심부에 정확히 도달시켜 부작용 없이도 고형암을 효과적으로 치료하는 항암 치료 기술을 개발했다고 밝혔다.

강 교수팀은 이온 전기동역학 원리(Ion Electrokinetics)를 활용해 약물의 저장·방출·침투를 동시에 제어할 수 있으며, 체내에서 무선 소자를 통해 작동하는 ‘이중-영동 약물전달 시스템(Dual-Phoretic Wireless Drug Delivery System, DPw-DDS)’을 제시했다. 암 조직의 생물학적 장벽을 극복한 이 기술은 항암 치료의 새로운 가능성을 열었다는 평가를 받고 있다.

이번 연구 성과는 지난 7월 10일 세계적 권위의 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 게재됐다.

연구 배경

기존에는 환자의 병든 인체 조직 중 세포가 조밀한 조직은 그 안에서 약물이 퍼지기 힘들어 약물 치료가 어려웠다. 그 특성상 조직이 치밀한 고형암을 치료하기 위해 항암제를 투여 시, 약물이 암 조직 깊숙이 침투하지 못해 약효가 저하되는 사례가 대표적이다. 이때 약효를 높이기 위해 고용량의 항암제를 반복 투여할 경우, 항암제의 독성이 오히려 주변의 정상 부위에 퍼져 심각한 부작용이 수반된다. 또한 약물에 대한 인체의 내성을 급속도로 올려 약효가 빠르게 저하되는 문제도 초래한다.

이를 해결하기 위해, 항암제를 암 조직에 정확히 도달시키기 위한 약물전달 기술이 그간 활발히 연구됐다. 그 중 ‘주사형’ 기술은 약물을 암 부위까지 ‘전달’하는 기능에 많이 집중됐고, ‘이식형’ 기술은 약물의 ‘저장’과 ‘방출’에 초점이 맞춰졌다.

그러나 고형암처럼 조밀한 조직을 치료하려면 약물의 전달·저장·방출에 더해, 약물을 암 조직 내부로 효과적으로 밀어 넣어 퍼뜨리는 기술이 필수적이다. 이에 전기장을 통해 약물을 암 조직 내부로 침투시키는 연구도 발표됐으나, 이 기술은 감염 위험과 환자 관리의 어려움으로 임상 적용에 큰 제약이 있었다. 소자를 인체 내에 완전히 삽입하는 형태가 아닌, 투석처럼 체외로 통하는 연결관을 사용하는 방식이었기 때문이다.

연구 성과

이에 연구진은 무선 소자를 체내에 삽입한 뒤, 소자가 방출한 약물이 전기장을 통해 암 조직 방향으로 선택적으로 이동해 암 조직 내부로 효과적으로 침투할 수 있는 정밀 약물전달 플랫폼을 개발했다. 이온 다이오드를 이용한 ‘약물 방출 제어 기술’과 전기장을 통한 ‘조직 침투 기능’을 통합해 하나의 무선 이식형 디바이스에 구현한 ‘이중영동 약물전달 시스템(DPw-DDS)’을 고안한 것이다.

전기-이온 영동 원리에 기반한 이 시스템은 전압 조절만으로 약물을 정량적·펄스형(pulsatile)·반복적으로 방출(전기영동)할 수 있으며, 생성된 전기장을 통해 약물을 암 조직의 깊숙한 중심부까지 침투(이온영동)시킬 수 있다. 또한 근거리 무선 통신(NFC)을 통해 외부 전원 연결 없이도 무선 구동되고, 단일 기기로 저장·방출·침투·정량 제어까지 통합 수행이 가능하도록 설계돼 치료 편이성도 갖췄다.

연구진은 이 시스템을 동물실험에 적용한 결과, 기존 약물 주사 방식과 대비해 4배 이상 높은 약물전달 효율, 종양 크기를 50% 이하로 줄이는 뛰어난 치료 효과를 입증했다. 5주 간의 체내 이식 실험에서도 간·신장 등 주요 장기와 정상 조직의 손상이 전혀 관찰되지 않아, 기존 항암 치료의 부작용도 발견되지 않았다.

기대 효과

이처럼 암 환자들이 항암 치료 부작용으로 겪는 고통을 최소화하고, 최소한의 항암제로 최대한의 치료 효율을 보일 것으로 기대되는 ‘이중영동 약물전달 시스템’은 구토, 탈모, 면역력 저하 등의 부작용을 겪던 암 환자들에게 큰 희망이 될 수 있다.

또한 약물을 새로 개발하거나 재설계하지 않고도 전달 효율을 획기적으로 높일 수 있어, 신약 개발 비용 및 시간을 줄일 것으로 기대된다. 그리고 암 외에도 염증, 희귀난치성 질환 등 정밀한 약물 조절이 필요한 다양한 질환에도 적용될 예정이다.

아울러 무선으로 작동하는 이식형 시스템은 나노의약품, 단백질, mRNA 등 차세대 약물에도 활용될 수 있는 범용성을 갖췄다는 평가를 받고 있다. 앞으로 이 시스템의 소재가 생분해성 소재로 확장될 경우, 체내 회수 없이 작동을 마치는 비회수형 의료기기 개발로도 이어질 수 있다.

연구진 의견

강승균 서울대 재료공학부 교수는 “약물의 저장, 방출, 침투를 하나의 이식형 무선 시스템에 통합한 이번 기술은 향후 정밀하고 효과적인 암 치료를 가능케 할 전망”이라며 “다양한 질환에 적용 가능한 플랫폼으로 발전시켜 나갈 계획”이라고 밝혔다.

이효진 한국과학기술연구원(KIST) 박사는 “본 기술은 치료 효율을 높이면서도 부작용을 최소화할 수 있는 실질적인 약물전달 솔루션”이라고 설명하며 “상용화와 임상 적용을 위한 후속 연구도 적극적으로 추진 중”이라고 말했다.

연구진 진로

이번 연구 논문의 주저자인 최성근 박사는 지난 2024년 2월 서울대 재료공학부에서 박사 학위를 취득 후, 현재 한국과학기술연구원(KIST) 생체재료연구센터에서 박사후연구원으로 재직 중이다. 향후 ‘이중영동 약물전달 시스템’의 임상 적용을 위한 확장 연구를 지속할 예정이다. 특히 바이오 일렉트로닉스에 기반한 정밀 의료 분야로의 진출을 목표로, 생분해성 소재의 비회수형 이식형 디바이스 개발과 나노 의약품, 단백질, mRNA 등 다양한 약물에 대한 적용성 확대를 위한 후속 연구를 계속 이어나갈 계획이다.