스스로 빛을 내는 단백질이 암세포를 타격함으로써 암을 치료하는 새로운 기술이 개발됐다. 이번에 개발된 기술은 생체물질이 스스로 빛을 내는 생물 발광(Bioluminescence) 현상을 응용해 외부에서의 빛 자극 없이 치료과정으로 유도하고, 암세포 사멸 후에는 치료에 사용된 단백질이 빠르게 체내에서 분해돼 부작용이 매우 적다는 장점이 있는 것으로 전해졌다.
이같은 기술은 한국기초과학지원연구원 광주센터 이성수 연구팀과 김영필 한양대 생명과학과 연구팀, 이경진 울산의과대학 연구팀 공동연구로 개발됐다.
한국기초과학지원연구원은 “이번 신기술은 항암제와 같은 기존의 화학적 제제가 아닌 순수 단백질만을 이용하는 새로운 개념의 치료법을 제시했다는 점에서 매우 큰 의의를 갖는다"며 “이 치료법은 화학적 제제로 인한 부작용을 현저하게 낮춰 주는 것이 가능해 암 치료뿐만 아니라 향후 다양한 노인성 질환 치료에 응용이 가능할 것으로 기대된다"고 밝혔다.
연구원에 따르면, 이번 공동연구팀이 개발한 암치료 단백질은 서로 다른 기능을 갖는 두 개의 단백질 부위를 결합시킨 구조이다. ‘암세포의 세포막에 특이적으로 결합해 빛을 내는 단백질 부위’와 ‘빛 자극으로부터 암세포 사멸을 유도하는 단백질 부위’가 결합한 구조로 이뤄졌는데 암세포에 결합된 단백질이 스스로 빛을 발생시키고 이렇게 발생된 빛이 방아쇠로 작용해 암세포의 활성산소 농도를 높이고 세포를 사멸시켜 제거하는 원리이다.
이번 공동연구에서 KBSI 광주센터의 ‘3차원 홀로토모그래피 현미경’ 기술이 세포 수준에서 일어나는 치료과정을 분석하는데 큰 역할을 했다고 한다. 이 기술은 빛에 대한 굴절률을 이용해 살아있는 상태의 세포를 전처리 과정 없이 실시간으로 분석할 수 있도록 한다.
연구원 측은 “이성수 박사 연구팀은 3차원 홀로토모그래피 현미경 기술을 이용해 세포가 살아있는 상태에서 치료 단백질의 암세포 세포막 결합과정부터 단백질의 발광 현상과 이에 따른 암세포 내 활성산소 생성 유도과정, 활성산소에 의한 암세포의 사멸과정까지, 암 치료 전 과정을 실시간 분석했다"며 “기존의 분석기술과 장비로는 치료제의 작용과정을 단계별로 각각 분석하고 일부 과정은 유추할 수밖에 없는 단점이 있었으나 3차원 홀로토모그래피 현미경 기술로 치료 기작과 암세포의 변화를 정확히 관찰함으로써 동물모델을 이용한 약물의 효과 검증도 빠르게 진행할 수 있었다"고 설명했다.
이번 연구는 기초과학 및 공학분야 저명 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 온라인판에 지난 9월 12일 게재됐다. 논문제목은 ‘Self-luminescent photodynamic therapy using breast cancer targeted proteins’이다.
이성수 KBSI 책임연구원은 “3차원 홀로토모그래피 기술을 응용하면 살아있는 세포에서 일어나는 생물학적 변화 과정을 실시간으로 관찰할 수 있어, 이번과 같이 새로운 개념의 암 치료제 개발은 물론 퇴행성 뇌질환 등 여러 질환의 발병기작을 이해하고 치료방법을 개발하는데 응용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.
김영필 한양대학교 교수는 “생체물질이 스스로 빛을 내는 발광현상은 광량이 낮아 응용에 한계가 있는 것으로 그동안 여겨져 왔으나, 발상을 전환함으로써 보다 친화적이고 부작용이 적은 치료제 개발의 주요 기술이 됐다"고 밝혔다.
공동 제1저자는 박상우 KBSI 박사후연구원, 김은혜 한양대 대학원생, 김윤규 울산대 대학원생이다.
이번 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단(이공분야 중견연구연구자지원 사업), 보건복지부-한국보건산업진흥원(연구자주도 질병극복연구), 과학기술일자리진흥원(중대형융합형 성장지원사업), 한국기초과학지원연구원(국산연구장비성능향상사업)의 지원으로 이뤄졌다.
향후 KBSI 광주센터 노화연구시설이 보유한 3차원 홀로토모그래피 현미경, 발광-형광 전임상 분자영상시스템(IVIS Spectrum), 마이크로·나노 CT, 비선형다중여기시스템(Intravital Multi-photon Microscope) 등 첨단 실시간 세포·생체분석장비와 퇴행성 (뇌)질환 모델 동물을 활용해 발병 자체를 억제하거나 치료제를 개발하는 후속연구를 이어나갈 계획이다.
신형식 한국기초과학지원연구원 신형식 원장은 “이번 연구성과는 KBSI의 분석기술 개발이 새로운 개념의 암치료법 개발에 기폭제 역할을 한 것으로, KBSI와 함께 산업체(토모큐브), 대학(한양대), 의료기관(울산대 의대)이 모두 함께 협력하여 이뤄낸 혁신적인 결과라는 측면에서 더욱 의미가 크다"고 밝혔다.
연구원에 따르면, 이번 공동연구팀이 개발한 암치료 단백질은 서로 다른 기능을 갖는 두 개의 단백질 부위를 결합시킨 구조이다. ‘암세포의 세포막에 특이적으로 결합해 빛을 내는 단백질 부위’와 ‘빛 자극으로부터 암세포 사멸을 유도하는 단백질 부위’가 결합한 구조로 이뤄졌는데 암세포에 결합된 단백질이 스스로 빛을 발생시키고 이렇게 발생된 빛이 방아쇠로 작용해 암세포의 활성산소 농도를 높이고 세포를 사멸시켜 제거하는 원리이다.
이번 공동연구에서 KBSI 광주센터의 ‘3차원 홀로토모그래피 현미경’ 기술이 세포 수준에서 일어나는 치료과정을 분석하는데 큰 역할을 했다고 한다. 이 기술은 빛에 대한 굴절률을 이용해 살아있는 상태의 세포를 전처리 과정 없이 실시간으로 분석할 수 있도록 한다.
연구원 측은 “이성수 박사 연구팀은 3차원 홀로토모그래피 현미경 기술을 이용해 세포가 살아있는 상태에서 치료 단백질의 암세포 세포막 결합과정부터 단백질의 발광 현상과 이에 따른 암세포 내 활성산소 생성 유도과정, 활성산소에 의한 암세포의 사멸과정까지, 암 치료 전 과정을 실시간 분석했다"며 “기존의 분석기술과 장비로는 치료제의 작용과정을 단계별로 각각 분석하고 일부 과정은 유추할 수밖에 없는 단점이 있었으나 3차원 홀로토모그래피 현미경 기술로 치료 기작과 암세포의 변화를 정확히 관찰함으로써 동물모델을 이용한 약물의 효과 검증도 빠르게 진행할 수 있었다"고 설명했다.
이번 연구는 기초과학 및 공학분야 저명 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 온라인판에 지난 9월 12일 게재됐다. 논문제목은 ‘Self-luminescent photodynamic therapy using breast cancer targeted proteins’이다.
이성수 KBSI 책임연구원은 “3차원 홀로토모그래피 기술을 응용하면 살아있는 세포에서 일어나는 생물학적 변화 과정을 실시간으로 관찰할 수 있어, 이번과 같이 새로운 개념의 암 치료제 개발은 물론 퇴행성 뇌질환 등 여러 질환의 발병기작을 이해하고 치료방법을 개발하는데 응용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.
김영필 한양대학교 교수는 “생체물질이 스스로 빛을 내는 발광현상은 광량이 낮아 응용에 한계가 있는 것으로 그동안 여겨져 왔으나, 발상을 전환함으로써 보다 친화적이고 부작용이 적은 치료제 개발의 주요 기술이 됐다"고 밝혔다.
공동 제1저자는 박상우 KBSI 박사후연구원, 김은혜 한양대 대학원생, 김윤규 울산대 대학원생이다.
이번 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단(이공분야 중견연구연구자지원 사업), 보건복지부-한국보건산업진흥원(연구자주도 질병극복연구), 과학기술일자리진흥원(중대형융합형 성장지원사업), 한국기초과학지원연구원(국산연구장비성능향상사업)의 지원으로 이뤄졌다.
향후 KBSI 광주센터 노화연구시설이 보유한 3차원 홀로토모그래피 현미경, 발광-형광 전임상 분자영상시스템(IVIS Spectrum), 마이크로·나노 CT, 비선형다중여기시스템(Intravital Multi-photon Microscope) 등 첨단 실시간 세포·생체분석장비와 퇴행성 (뇌)질환 모델 동물을 활용해 발병 자체를 억제하거나 치료제를 개발하는 후속연구를 이어나갈 계획이다.
신형식 한국기초과학지원연구원 신형식 원장은 “이번 연구성과는 KBSI의 분석기술 개발이 새로운 개념의 암치료법 개발에 기폭제 역할을 한 것으로, KBSI와 함께 산업체(토모큐브), 대학(한양대), 의료기관(울산대 의대)이 모두 함께 협력하여 이뤄낸 혁신적인 결과라는 측면에서 더욱 의미가 크다"고 밝혔다.
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