울산의대 주진명 교수(서울아산병원 융합의학과)팀이 기존 항생제의 10분의 1만 사용해도 박테리아를 표적해 감염 부위에 효과적으로 항생제를 전달할 수 있는 나노 약물 전달체를 개발했다.

주 교수팀은 생체 내에서 단백질과 펩타이드, DNA 간의 생화학적 상호작용을 통해 항체 개발 등에 활용하는 파지 디스플레이(phage display) 기술을 이용해, 박테리아 감염 염증반응이 일어난 조직만 선별적으로 표적할 수 있는 펩타이드(서열:CARGGLKSC)를 발견했다.   

* 파지 디스플레이
외피에 특정 서열의 표면 단백질을 발현하는 다양한 종류의 파지를 이용해, 특정 단백질이나 바이오마커(biomarker)에 대한 선택적 인식 능력을 가지는 펩타이드를 발굴 할 수 있는 기술이다. 무작위 서열의 펩타이드를 발현 할 수 있는 유전자를 박테리오파지에 도입하여 외피단백질로 표현 할 수 있도록 만드는 것으로, 표적체에 대한 선택적 인지능력 및 결합 특성을 가지는 항체 또는 펩타이드를 분리 할 수 있다. 파지 디스플레이 기술을 이용하여 선별한 표적 펩타이드를 이용하여 질병 조기 진단 및 치료제 개발에 다양하게 활용 될 수 있다. 

펩타이드란 생물의 몸을 구성하는 단백질의 기본 구성단위인 아미노산이 소수 결합된 형태다. 

연구진은 이 펩타이드를 생분해성 실리콘 나노입자에 결합해 포도상구균을 표적하여 선택적으로 항생제를 전달할 수 있는 나노 약물 전달체를 개발했다.

연구진은 포도상구균에 의한 감염으로 급성 폐렴이 발생한 쥐에게 반코마이신 항생제를 일반적인 정맥주사로 투여했을 때와 나노 약물 전달체를 통해 혈관에 주입했을 때를 비교했다. 

그 결과 일반 정맥주사로 투여할 때보다 나노 약물 전달체를 이용했을 때 10분의 1의 항생제 용량으로도 폐렴이 완치된 것을 확인했다. 포도상구균이 폐에 침투해 급성 감염성 폐렴에 걸린 쥐는 48시간 생존율이 40%에도 미치지 못할 정도로 매우 치명적인 증상을 보였다. 

하지만 연구진이 개발한 박테리아 표적 나노 약물 전달체를 이용하면 현저하게 적은 양의 항생제로 박테리아 감염을 치료함과 동시에 건강 조직에 대한 독성 등 항생제 부작용을 완화할 수 있는 길을 확인한 것이다. 

또한 이 나노 약물 전달체는 1차 항생제에 내성이 있는 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA)에 대해서도 효과가 있는 것으로 증명됐다. 

이번 연구에 사용된 다공성 실리콘 나노입자는 우수한 생분해성과 광학 특성으로 차세대 약물 전달 플랫폼으로 각광받고 있으며, 화학약물 외에도 DNA, RNA와 같은 유전자 또는 여러 종류의 단백질도 전달할 수 있는 것으로 보고되고 있다.

이번에 발견한 펩타이드 역시 박테리아뿐만 아니라, 박테리아가 침투한 염증성 백혈구 등도 표적할 수 있는 것으로 밝혀져 이를 타깃으로 하는 신약 개발 가능성도 높아졌다. 

연구를 주도한 주진명 교수는 "나노과학 기술이 발전하면서 효과적인 약물 전달체 개발 등 의학기술에도 적용할 수 있는 다양한 방법이 연구되고 있다"며 "특히 감염성 질환은 전파되기 전 빠른 진단과 치료가 필수이므로 다양한 기초 연구 결과를 바탕으로 의학적 활용 가능성을 검증하고 환자에게 적용할 수 있도록 화학, 생물학, 공학, 의학 등 다양한 배경을 가진 연구자들이 협력한 융합연구를 통해 개발이 체계적으로 이뤄져야 한다"고 말했다. 

이번 연구는 미국 캘리포니아대학 샌디에고, SBP 의학연구소, 이탈리아 메시나 대학, 에스토니아 타르투 대학과 공동으로 진행됐고, 교육부의 이공학개인기초연구지원사업과 보건복지부의 보건의료기술 연구개발사업 등의 지원을 통해 수행됐으며, 국제 학술지인 네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering) 온라인 최신판에 게재됐다.