“원거리 펩타이드 접근성 조절”로 환자 맞춤형 면역 치료 실마리

원하는 시간에 원하는 만큼! 

펩타이드 접근성 조절 가능 시스템 개발

“원거리 펩타이드 접근성 조절”로 환자 맞춤형 면역 치료 실마리 

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 강희민 교수(고려대학교) 연구팀이 펩타이드 접근성의 원거리 조절로 체내 면역 반응을 제어할 수 있는 시스템을 개발했다고 밝혔다.

   ※ 펩타이드 : 아미노산의 중합체로, 아미노산의 종류마다 체내에서 세포 수용체와 특이적으로 결합하여 여러 가지 기능을 활성화하거나 억제함

□ 면역 반응으로부터 조직 치유에 이르기까지 체내에는 많은 단계의 반응이 존재하는데, 효과적인 치료를 위해서는 각각의 단계에 적절히 면역 반응을 제어하는 것이 필요하다. 

 ○ 앞선 연구들에서 pH 조절, 초음파, 빛과 같은 외부 자극을 이용하여 면역 반응을 제어하고자 시도하였으나 가역적으로 세포 반응을 제어하는 데에 어려움이 있었고, 사용된 외부 자극이나 소재가 생체 친화적이지 않아 생체에 위해를 가할 가능성도 있다.

 ○ 또한, 생체 친화적인 외부 자기장을 이용하여 면역 반응 제어를  시도한 연구도 있었으나, 이는 펩타이드 접근성을 이분법적으로만 제어하여 다양하게 면역 반응을 제어할 수 없었다.

□ 이에, 연구진은 생체 친화적이고 다양한 모드를 가진 시스템으로 체내 면역 반응을 제어하기 위해 세포 부착성 펩타이드를 생체 재료 표면에 결합하고, 신축성 연결체를 이용하여 다양한 크기로 합성이 가능한 ‘외부 자극 감응형 무기 나노 집합체 소재’를 부착시켰다. 

  ※ 신축성 연결체 : 수십 나노미터 길이의 폴리에틸렌 글리콜로 이루어진 폴리머로, 이를 이용해 무기 나노 집합체 소재를 생체 재료 표면에 결합함. 영구 자석의 위치 혹은 유무에 따른 무기 나노 집합체 소재 위치의 가역적인 제어를 위한 장치  

  ※ 외부 자극 감응형 무기 나노 집합체 소재 : 초 상자성을 가진 나노 산화철(Fe3O4) 입자들의 집합체 소재로 필요에 따라 집합체의 크기를 제어할 수 있음. 초 상자성이란 나노입자의 자성체에서 보이는 성질로 자기장을 가하면 자화되어 자성을 가지지만, 자기장이 제거되면 자화가 소멸하여 자성을 잃는 성질로 원거리 제어에 있어서 필요한 성질 

 ○ 무기 나노 집합체 소재를 동일한 세포 부착성 펩타이드 밀도의 생체 재료 표면에 부착시킬 때, 무기 나노 집합체 소재의 ‘크기’에 따라 펩타이드 접근성을 제어할 수 있음을 알아냈다.

 ○ 또한, 영구 자석으로 생체 재료 표면에서 무기 나노 집합체 소재의 ‘높낮이’를 조절하여 펩타이드 접근성을 제어할 수 있음을 확인, 이에 따라 초기 면역 반응에 중요한 역할을 하는 대식세포의 거동을 제어할 수 있음을 밝혔다.

  ※ 대식세포 (macrophage) : 대식세포는 초기 면역 반응에서 중요한 역할을 하며, 외부 환경에 의해서 M1 대식세포 혹은 M2 대식세포로 분극화함. M1 대식세포는 전염증성 특징을 가지고 있어 우리 몸을 침입한 세균을 방어하는 데 중요한 역할을 하지만, M2 대식세포는 항염증성 반응과 조직의 리모델링에 관여함. 대식세포의 분극화 전환은 염증성 질환의 단계를 조절할 수 있기에 연구가 활발함

□ 연구팀은 다양한 크기의 무기 나노 집합체 소재와 무기 나노 집합체 소재의 영구 자석을 통한 가역적인 움직임으로, 앞선 연구들의 한계점을 극복하였다. 

 ○ 또한, 본 연구를 통해 세포 수용체와 펩타이드의 결합을 제어하는 ‘접근 가능한 펩타이드 밀도’라는 새로운 파라미터를 제시하여, 면역 시스템 제어 후속 연구에 대한 새로운 기준이 될 것으로 기대하고 있다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(신진연구) 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 3월 12일(한국시간) 온라인 공개되었으며 표지논문으로 선정되었다. 

<작성 : 고려대학교 강희민 교수>

1. 연구의 필요성

○ 체내 면역 시스템은 병원체를 포함한 외부 물질로부터 몸을 보호하며, 조직 발달부터 조직 재생까지 많은 역할을 담당한다. 면역 반응에는 사이토카인, 생화학물질 등을 포함한 여러 인자들이 존재하기에 복잡하다. 현대 의학에서는 효과적인 치료를 위해서 여러 가지 생체 재료를 개발하고자 한다. 하지만 생체 재료는 체내에서 면역 시스템에 의해 외부 물질로 인식되고 면역 반응을 일으켜 기대한 효과를 보지 못하거나 위해를 가하게 된다. 생체 재료가 체내에 적용되었을 때 일어나는 면역 반응을 제어하여 기대하는 효과를 극대화하는 것이 생체 재료 개발의 궁극적인 목표이다. 

○ 면역 시스템은 체내 많은 반응에 관여하고, 생체 재료가 체내에 적용됐을 때 일련의 과정 중 하나인 면역 반응부터 조직 치유에 이르기까지 많은 단계가 존재하고, 각 단계에 적절한 면역 반응을 유도하여 치료 효과를 극대화하는 것이 필요하다. 하지만 앞선 연구들은 환자의 면역 시스템에 따른 다양한 모드를 도입하거나 반응을 가역적으로 제어하는 부분에서  미흡하였다.

 - 앞선 연구들에서 pH 조절, 초음파, 빛과 같은 외부 자극을 이용하여 면역 반응을 제어하려 하였으나, 가역적으로 세포 반응을 제어하지 못했다. 특히 빛을 이용한 연구에선 사용된 빛 자극이 자외선에 기반을 두었기에 생체 조직에 큰 위해를 가할 가능성이 컸으며, 사용된 소재가 생체 친화적이지 않아 생체 내에서 행하기 어려웠고, 생체 외에서만 효과적으로 활용될 수 있었다.

 - 생체 친화적인 외부 자기장을 이용하여 면역 반응을 제어하려 시도한 연구도 있었으나, 이는 펩타이드를 완전히 노출하거나 가리는 데 그쳤기에 이에 따라 면역 반응을 이분법적으로 제어할 수밖에 없었으며, 면역 시스템의 상황에 맞게 다양하게 면역 반응을 제어할 수 없었다.

○ 생체 환경에서는 펩타이드 접근성을 동적으로 제어하여 세포 수용체와 펩타이드의 결합을 통한 면역 반응을 포함한 생화학적인 반응을 일으킨다. 생체 재료에서 펩타이드의 접근성이 제어 가능하다면 동적인 세포 수용체와 펩타이드의 상호작용과 이에 따른 면역 반응을 이해할 수 있다.

2. 연구내용 

 ○ 세포 부착성 펩타이드를 유리, 실리콘과 같은 다양한 생체 재료 표면에 결합하고, 다양한 크기로 합성이 가능한 외부 자극 감응형 무기 나노 집합체 소재를 생체 재료 표면에 신축성 연결체를 이용하여 부착시켜 다양한 모드를 가지는 펩타이드 접근성 제어 시스템을 개발하였다.

 ○ 다양한 크기의 무기 나노 집합체 소재를 동일한 세포 부착성 펩타이드 밀도를 가지는 생체 재료 표면에 부착시킬 때, 무기 나노 집합체 소재의 크기에 따라 접근 가능한 펩타이드의 밀도가 조절되었고, 이에 따라서 대식세포의 부착과 분극화를 제어하였다.

 ○ 무기 나노 집합체 소재는 초 상자성을 가지는 나노 입자 집합체이기에 영구 자석으로 생체 재료 표면에서 무기 나노 집합체 소재의 높낮이를 제어할 수 있고, 무기 나노 집합체 소재의 높낮이가 변함에 따라 접근 가능한 펩타이드의 밀도가 제어되었다.

 ○ 무기 나노 집합체 소재의 영구 자석에 의한 높낮이 변화로 생체 외에서 대식세포의 부착과 분극화를 제어할 수 있었다. 뿐만 아니라 생체 내 삽입된 생체 재료로 숙주 대식세포의 거동 또한 정밀 제어하였다.

3. 연구성과/기대효과

 ○ 원하는 시간에 원하는 만큼 무기 나노 집합체 소재의 높낮이를 변화시켜 펩타이드의 접근성을 제어하였고, 이를 통해 대식세포의 부착 및 분극화 능력을 정밀하게 조절하여 면역 시스템에 대한 이해를 도왔다.

 ○ 본 연구에서 개발된 펩타이드 접근성 제어 시스템은 대식세포의 부착과 분극화를 원하는 시간에 원하는 만큼 제어할 수 있어, 면역시스템을 통한 원거리 치료에 효과적일 것으로 기대된다.

 ○ 본 연구에서 개발된 체계는 다양한 소재 표면에 적용될 수 있고, 특히 면역 시스템에 관한 연구를 진행했기에, 임플란트와 같은 세계적으로 성장하고 있는 시장에서 활용되어 원천 기술 선점에 기여할 수 있다

 ○ 본 연구를 통해 입증된 바를 통해, 향후 연구들에서 무기 나노 집합체 소재의 크기나 형태를 제어하고, 본 연구에서 사용한 펩타이드를 다른 물질로 바꾸어 다방면으로 응용 가능한 시스템 개발이 가능할 것이다.

 ○ 고안된 펩타이드 접근성 제어 시스템은 대식세포뿐만 아니라 줄기세포, 암세포 등 다른 세포들에도 적용이 가능할 것으로 예상하며, 나노소재들을 활용한 바이오 메디컬 분야에 폭넓은 연구 가능성을 제시할 것으로 기대된다.

<작성 : 고려대학교 강희민 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?