국내 연구팀이 학교-병원-산업 연계 공동연구로 내시경 없이 방광암을 진단하는 기술을 개발했다. 환자의 소변에서 분리한 세포 펠렛 DNA를 활용하는 것으로, 비침습적 방식으로 환자 부담도 없고, 비용도 저렴한 것이 특징이다.
소변에서 분리한 cpDNA 분석
건국대학교 줄기세포재생공학과 조쌍구 교수 연구팀과 건국대학교병원 비뇨기과 김아람 교수, 그리고 조쌍구 교수가 대표이사로 있는 바이오기업 스템엑소원(주)은 유전자 변이 분석을 토대로 방광암을 진단하기 위한 기술 연구를 진행했다.
연구팀은 ‘비근육침윤성 방광암(NMIBC)’ 환자의 소변을 원심분리해 ‘세포 펠렛 DNA(cpDNA)’를 확보한 다음, 차세대 염기서열 분석(NGS)을 통해 유전자 변이를 분석했다. 그 결과, 암 조직과 cpDNA 간 높은 유사성을 확인했다.
또한, FGFR3, TTN, LEPROTL1 등 방광암 관련 주요 유전자에서 돌연변이가 발견됐다. 특히 종양 돌연변이 부담(TMB)을 비교한 결과, 소변 cpDNA와 암 조직 간 유의미한 차이가 없었다. 이는 cpDNA가 방광암 조기 진단 및 재발 감시 용도로 활용될 수 있다는 의미다.
소변 검사로 방광암 진단 가능
현재 방광암을 진단하기 위해서는 요로를 통해 몸속에 기기를 넣는 ‘방광내시경 검사’ 또는 조직검사가 주로 사용된다. 이들은 모두 환자에게 물리적인 부담이 있는 방법이며, 검사를 위한 비용도 상당하다.
반면, 연구팀이 이번에 개발한 cpDNA 기반 분석법은 소변 샘플만 가지고도 암 발생 여부를 확인할 수 있다. 일반적인 건강검진에서처럼 소변 샘플만 제출하면 검사를 통해 진단할 수 있다는 것이다. 통증이나 위험 부담 없이 정밀한 진단이 가능하고, 비용도 매우 저렴하다.
이는 혈액 검사를 기반으로 다양한 진단이 가능해지고 있는 최근 진단검사 트렌드에도 부합한다. cpDNA를 분석하는 기술은 향후 방광암 외의 다양한 질환을 조기에 진단하는 데도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구는 병리학 분야 국제학술지인 <실험실 연구(Laboratory Investigation)>에 이달 초인 3일(월) 온라인 게재됐다.
(왼쪽부터) 건국대 석재권 박사, 곽희정 연구원, 김아람 건국대 병원 교수, 조쌍구 건국대 교수 겸 스템엑소원 대표이사
과학기술정보통신부(장관 유상임, 이하 과기정통부)는 연세대학교 연구팀이 세계 최초로 ‘척추이분증’의 원인을 유전적으로 규명했다고 밝혔다.
과기정통부 기초연구사업(중견연구)의 지원을 통해 수행된 이번 연구는 국제 학술지 <네이처(Nature)>에 금일(27일) 게재됐다. (현지시간 기준 3월 26일 16시) 논문명은 “수막척수탈출증에서의 새로운 코딩 돌연변이의 기여(The contribution of de novo coding mutations in Meningomyelocele)”다.
3,000명 중 1명 꼴로 발생
‘척추이분증(Spina bifida)’은 임신 중 태아의 신경관(neural tube)이 완전히 닫히지 않음으로써 발생하는 선천적 질환이다. 증상의 정도는 다양하게 나타나며, 심하지 않은 경우는 별다른 증상을 보이지 않을 수도 있다. 하지만 증상이 심한 경우 태어날 때부터 척수 수막류가 나타나 신경조직이 노출될 수 있다. 이 경우 보행장애, 감각 이상 등 심각한 증상을 동반하게 된다.
척추이분증은 신생아 3,000명 중 1명 꼴로 꽤 높은 발생률을 보이는 선천성 결함이다. 발생률이 높은 만큼 그간 연구자들은 척추이분증을 가진 환자들이 어떤 특정한 유전자 돌연변이를 가지고 있고, 그로 인해 신생아 발병에 영향을 줄 것이라 추측해왔다.
척추이분증은 다른 유전 질환과 달리 핵심 유전자를 찾는 일이 오랫동안 난제로 남아 있었다. 동물 실험을 통해 몇몇 유전자가 밝혀지기도 했지만, 해당 유전자는 인간에게서 발견되지 않았다. 게다가 여러 요인이나 기전이 작용해 발생하는 복합 질환(Complex disease)의 특성상, 일반적인 접근 방법으로는 해결이 어렵다. 예방법이라 해도 임산부의 엽산 섭취 외에는 특별한 방법이 사실상 없었다.
직접 원인이 되는 유전자 돌연변이 확인
연세대 의생명시스템정보학교실 김상우 교수 연구팀은 ‘부모로부터 유전되지 않고, 자식에게서만 새롭게 나타나는 드노보 돌연변이(De novo mutation)’에 초점을 뒀다. 김 교수 연구팀은 미국 캘리포니아 대학의 연구팀과 협력을 타진했다. 미국 연구팀은 대규모 환자 모집 역량으로, 김상우 교수 연구팀은 DNA 분석 역량으로 협업한 것이다.
연구팀은 전 세계 851명의 척추이분증 환자와 그 가족 2,451명을 대상으로 유전자 분석을 실시하여 드노보 돌연변이를 정확하게 검출해냈다. 이를 분석한 결과, 환자의 약 22.3%에서 유전자 손상 가능성이 높은 돌연변이가 확인됐으며, 이중 28%가 신경관 결손 발생에 직접적인 영향을 미칠 것으로 평가됐다.
최종 분석 결과 연구팀은 187개의 질병 관련 유전자를 확인했으며, 이로써 척추이분증이 단일 유전자가 아닌 수백 개의 유전자의 밀접한 상호 영향으로 발생한다는 사실을 발견했다. 연구팀은 이 유전자들이 생물학적으로 어떤 기능을 하는지에 주목해 연구를 이어나갔다.
최종 결과, 연구팀은 척추이분증의 직접적 원인이 되는 유전자 돌연변이 특성을 인간에게서 처음 확인했다. 주로 세포의 구조 유지, 신경세포 신호 전달, 염색질 변형과 관련된 기능을 하는 유전자에서 발생하는 돌연변이가 원인이었다. 연구팀은 동물 모델 실험을 통해 검출한 유전자 돌연변이 신경관 결손 과정에 어떤 영향을 미치는지도 확인했다.
다양한 복합질환 발생 기전에도 적용
연구팀은 이번 연구를 통해 신경관 결손 질환에서 부모에게는 없지만 자식에게만 존재하는 ‘드노보 돌연변이’가 중요한 역할을 한다는 점을 입증했다는 데 의의가 있다고 전했다. 또한, 이 연구 결과는 신경계에 발생하는 선천성 기형의 원인을 규명했을 뿐만 아니라, 향후 질병 예측 모델 개발에도 활용될 수 있다.
김상우 교수는 “이번 연구성과는 향후 진단 기술 개발에 중요한 단서를 제공할 것”이라며, “신경관 결손 질환에 대한 예방법 개발뿐 아니라, 자폐증과 같이 유전적 돌연변이와 환경적 요인이 함께 작용하는 복합질환 연구에도 활용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 밝혔다.
건국대학교병원(이하 건국대병원)이 최신 심방세동 치료법인 ‘펄스장 절제술(Pulsed Field Ablation, PFA)’의 첫 시술을 성공적으로 마쳤다. 이번 시술은 지난 21일(금) 건국대병원에서 열린 ‘어드밴스드 PFA 워크숍(Advanced Pulsed Field Ablation Workshop)’을 통해 시행됐다. PFA 시술은 부정맥 치료 분야의 세계적 권위자인 수니트 미탈 박사(Dr. Suneet Mittal)와 건국대병원 심장혈관내과 권창희 교수가 함께 집도했다.
펄스장 절제술은 심방세동 치료의 최신 기법이다. 기존의 고주파(RF) 절제술이나 냉각풍선도자절제술(Cryoballoon ablation)에 비해 시술 시간은 짧고, 주변 조직 손상의 위험이 적어 합병증 발생률이 낮다는 장점이 있다. 이날 건국대병원에서 진행된 첫 PFA 시술은 약 1시간 만에 마무리됐으며, 환자는 다음 날 퇴원할 정도로 빠른 회복을 보였다.
이번 시술에 사용된 장비는 메드트로닉(Medtronic)의 ‘PulseSelect™ PFA 시스템’으로, 전기 펄스를 이용해 심장 내 특정 조직만을 정밀하게 절제하는 기술이다. 고주파나 냉각 방식과 달리 열을 사용하지 않아 식도, 횡격막, 폐정맥 주변 조직 등 민감 부위의 손상을 최소화할 수 있다는 점에서 향후 심방세동 치료의 패러다임을 바꿀 기술로 기대를 모으고 있다.
다만, 현재 이 시술은 건강보험 급여 항목에 포함돼 있지 않아 비급여 진료로 진행돼야 하는 제한이 있다.
이번 워크숍에서 강연을 맡은 미탈 박사는 25년 이상 부정맥 분야에서 활약해온 전문가로, 현재 미국 밸리 헬스 시스템(Valley Health System)에서 심혈관 서비스 부문을 총괄하고 있다. 미탈 박사는 150건 이상의 PulseSelect 시술(전기적 방법으로 심장 조직을 선택적으로 절제하는 의료 기술)을 집도한 경험을 갖고 있으며, 글로벌 PFA 기술 개발에 크게 기여한 인물이다.
권창희 교수는 “펄스장 절제술은 심방세동 환자들에게 더욱 안전하고 빠른 치료를 제공할 수 있는 혁신적 기술”이라며 “앞으로도 최신 의료기술을 국내에 빠르게 도입해 환자 중심의 치료환경을 만들겠다”고 밝혔다.
※ 위 이미지는 본문 내용과 직접적 연관이 없음 / 이미지 출처 : Motion Elements
바이러스의 표면에 위치한 당분은 바이러스가 면역 체계를 회피할 수 있도록 돕는 역할을 한다. 당분이 바이러스의 외부 구조를 형성함으로써, 체내 정상적인 세포와 비슷하게 보일 수 있다. 이로 인해 체내 면역 시스템은 바이러스를 잘 인식하지 못할 수 있다.
미국 캘리포니아 소재의 스크립스 연구소(The Scripps Research Institute, TSRI)는 지난 23일(일)부터 진행 중인 미국 화학학회 춘계 학술회의(ACS Spring 2025)에서 바이러스 표면의 당분을 표적으로 삼는 범용 백신에 대해 발표했다.
‘범용 백신’으로서의 가능성
TSRI 연구팀은 동물 연구를 통해 이 백신의 효과를 검증했다고 밝혔다. 코로나 바이러스의 스파이크 단백질 영역에서 당 분자를 제거하고 바이러스를 불활성화하는 항체를 생성했다는 것이다. 이는 한 번의 예방 접종으로도 변이 바이러스에까지 대응할 수 있는 저항력을 갖출 수 있다는 가능성을 보여준다.
어떤 감염병 백신은 평생 단 한 번만 접종을 받으면 되는 데 비해, 독감과 같은 바이러스는 매년 새로운 예방 접종을 필요로 한다. TSRI의 화학 교수인 치후이 웡에 따르면, 이는 SARS-CoV-2와 같은 바이러스가 복제 과정에서 높은 돌연변이율을 갖기 때문이다. 특히 바이러스 스파이크 단백질의 수용체 결합 도메인(RBD)에서 일어나는 돌연변이로 인해 계속 새로운 백신을 필요로 했다는 것이다.
오미크론과 같은 변이가 생기는 이유는, 바이러스가 복제돼는 과정에서 돌연변이를 일으키기 때문이다 / 이미지 출처 : Motion Elements
바이러스의 ‘기본 구조’를 표적화
치후이 웡 교수의 연구팀이 개발한 백신은 돌연변이가 거의 발생하지 않는 바이러스 내 스파이크 단백질의 ‘줄기 영역’을 표적으로 한다. 이 줄기는 ‘글리칸’이라고 하는 당 분자 사슬로 코팅돼 있으며, 이 코팅이 면역 체계의 인식과 공격을 방지하는 역할을 한다.
연구팀의 백신은 이른바 ‘저당(low-sugar) 백신’으로, 줄기를 보호하는 당 분자를 표적으로 삼는다. 연구팀은 햄스터와 쥐 등을 대상으로 한 동물 연구에서, 저당 백신으로 SARS-CoV 변종 뿐만 아니라 MERS-CoV(메르스 바이러스)에 대해서도 더욱 다양한 항체를 생성했다고 밝혔다. 이를 바탕으로 연구팀은 이 백신이 범용 백신으로서의 가능성을 갖고 있으며, 코로나 바이러스에 대해서도 효과를 발휘할 거라고 말했다.
저당 백신 기술, 암 치료 연구에도 활용
한편, 치후이 웡 교수 연구팀은 저당 백신을 개발한 기술을 응용해 다양한 유형의 암을 치료할 수 있는 백신을 개발하고 있다. 암 세포에도 특정 단백질이나 항원이 존재하기 때문에, 이들을 표적으로 하여 면역 반응을 유도하는 방식이다.
특히 줄기 영역을 표적으로 하는 저당 백신의 접근법은 ‘변이가 적은 영역을 겨냥한다’라는 근본적 특징을 가진다. 따라서 암 세포가 변이를 일으키더라도 보다 효과적으로 대응할 수 있을 가능성이 있다. 또, 다양한 면역 회피 메커니즘을 사용하는 난치성 암 세포에게도 효과를 기대해볼 만하다.
연구팀은 이 암 치료를 위한 범용 백신 연구가 어느 정도 성과를 거두고 있으며, 최근 암 세포의 글리칸 표적에 관한 연구, 그리고 암 세포의 글리칸 합성과 관련된 효소에 대한 연구를 발표했다고 이야기했다.
'저당 백신'은 돌연변이 가능성이 낮은 바이러스 스파이크 단백질의 '줄기 부분'을 표적으로 삼아, '범용 백신'으로서의 효과를 노리는 방식이다 / 이미지 출처 : Motion Elements
한창 달리기를 하고 있을 때, 누군가 불러도 잘 듣지 못하는 경우는 종종 있는 일이다. 이는 매우 구체적인 사례이며, 이외에도 무언가 ‘다른 행동을 하고 있을 때 감각 정보가 달라지는’ 현상은 흔하다. 기초과학연구원(IBS) 시냅스 뇌질환 연구단에서 이러한 현상이 나타나는 메커니즘을 규명했다.
시각과 청각의 통합 원리
우리는 오감을 이용해 세상으로부터 정보를 받아들인다. 그중에서 가장 활발하게 사용하는 감각을 꼽으라면 시각과 청각일 것이다. 나머지 감각들 역시 중요하지만, 상대적으로 한정된 상황에서 사용되는 경향이 있다. 일상에서 보내는 시간들을 곰곰이 생각해보면, 대부분 시각과 청각의 의존도가 높은 편이라는 것을 알게 된다.
하지만 뇌가 이 무수한 감각 정보들을 어떻게 결합하는지, 어떻게 행동으로 연결하는지 그 메커니즘은 명확하게 밝혀지지 않았다. 감각 이상 또는 기능 저하가 있거나 감각처리장애(Sensory Processing Disorder, SPD)를 겪는 경우 이러한 감각 통합 능력이 낮아지기도 한다. 즉, 신경과학 측면에서 감각 정보의 통합 원리를 이해하는 것은 매우 중요한 일이라 할 수 있다.
달릴 때는 시각 정보 우선
IBS 시냅스 뇌질환 연구단의 부연구단장이자 카이스트 생명과학과 부교수인 이승희 박사는 연구팀과 함께 시각·청각 정보가 통합되는 뇌 영역을 찾기 위한 실험을 진행했다. 쥐 모델을 활용해 특정 뇌 부위를 인위적으로 비활성화하는 약물을 주입하거나 이를 조절하는 광유전학 실험을 진행했다.
그 결과 ‘후두정피질(PPC)’이 시각 정보 처리에 중요한 역할을 한다는 사실을 확인했다. 쥐는 후두정피질이 비활성화되자 청각 정보를 우선적으로 처리한다는 것을 발견했다.
그런 다음 연구팀은 칼슘 이미징 실험을 통해 후두정피질의 뉴런들이 어떻게 반응하는지를 측정하고 분석했다. 쥐가 가만히 있을 때 시청각 자극을 동시에 받으면, 후두정피질의 시각 뉴런이 청각 신호에 의해 억제돼 청각 정보를 우선적으로 처리했다. 반면, 쥐가 달릴 때 시청각 자극이 동시에 가해지면, 청각 신호가 후두정피질로 전달되지 않아 시각 정보가 우선적으로 처리됐다.
이는 청각 우세 또는 시각 우세를 결정하는 과정에서는 후두정피질의 정보처리가 핵심적인 역할을 한다는 것을 보여준다. 청각 신호가 시각 정보 처리를 억제하면 청각 우세 행동이 나타나고, 그렇지 않을 경우 시각 우세 행동이 나타난다는 것이다.
달릴 때는 청각 신호보다 시각 정보 처리가 우선시돼, 소리가 들려도 잘 인지하지 못할 수 있다 / 이미지 출처 : Motion Elements
‘행동 상태’에 따라 우선시되는 감각 달라져
연구팀은 이러한 현상이 나타나는 원인을 탐색했다. 달릴 때는 ‘운동피질(M2)’에서 신호가 생성되는데, 이것이 후두정피질에 청각 정보를 전달하는 뉴런을 선택적으로 억제하게 된다. 즉, 청각 정보가 전달이 되긴 하지만 원활하지 않거나 차단되는 경우가 많다는 뜻이다. 이로 인해 감각 정보 중 시각이 더 우세해지게 된다.
달리는 동안에도 청각이라는 감각 정보는 지속적으로 수집되며, 청각 피질도 이상 없이 작동한다. 다만, 시각 정보와 청각 정보가 뇌에서 통합되는 과정이 달라지는 것이다. 달리기 도중 누군가 부르는 소리를 잘 듣지 못하거나, 주위에서 발생하는 다른 소리를 잘 인지하지 못하는 이유다.
종합적으로, 이번 연구는 인간을 비롯한 동물의 ‘행동 상태’에 따라 시청각 정보의 통합이 유연하게 조절된다는 것, 이를 통해 중요한 감각 정보를 우선적으로 처리하면서도, 개별 감각 정보는 안정적으로 처리된다는 것을 규명한 것이라 정리할 수 있다.
이승희 부연구단장은 “감각 정보가 뇌에서 처리될 때 개별 감각 자체는 안정적으로 유지되지만, 이를 통합하는 방식은 행동 상태에 따라 유연하게 조절된다는 것을 밝힌 중요한 발견”이라며, “이 연구는 앞으로 감각처리장애 치료를 목표로 하는 특정 뇌 신경회로의 작동 방식을 제시하는 데 기초적인 토대가 될 것으로 기대한다”라고 전했다.
단백질은 우리 몸을 구성하는 필수 요소다. 이 때문에 질병 진단 및 치료법 연구에서도 중요한 타깃이 되곤 한다. 특정 단백질에 형광 물질을 부착해 암 세포를 식별하는 등의 기법이 그 예다. 포스텍(POSTECH, 포항공과대학교) 연구팀이 ‘특정 단백질만 선택적으로 정밀 변형’할 수 있는 기술을 개발해, 이 내용을 국제 화학 분야 학술지에 게재했다.
기존 단백질 변형 기술의 한계
단백질을 활용한 바이오 결합 기술은 질병 진단, 치료법 및 신약 개발 연구에서 활발히 사용되고 있다. 다만, 기존 방법들에는 몇 가지 한계가 있다. 대표적으로 변형할 수 있는 단백질 종류가 제한된다는 점을 들 수 있다. 단백질이라는 이름으로 불리는 수많은 화합물들은 저마다 다른 구조와 기능을 가지고 있다. 따라서 모든 단백질을 동일한 방법으로 변형할 수는 없다.
일부 경우, 단백질 변형을 위해 유전자 조작이 필요할 수 있다. 이는 기술적으로 복잡하고 많은 시간적, 금전적 비용이 들어갈 수 있다. 경우에 따라서는 윤리적 문제가 발생할 수도 있다.
또한, 무작위 변형으로 인한 문제도 간과할 수 없다. 다양한 종류의 단백질은 저마다 다른 기능을 수행하며, 아미노산 결합 구조가 기능과 밀접하게 연관돼 있다. 따라서 변형이 잘못될 경우 본래 역할을 수행하지 못하거나 해로운 영향을 미칠 수도 있다. 무엇보다도, 생체 환경에서 특정 단백질만 선택적으로 변형하는 것 자체가 어려운 문제다.
특정 부위만 정밀 변형 가능한 기술
포스텍 신소재공학과 오승수 교수와 조혜성 박사 연구팀은 이러한 한계들을 인지하고, 이를 해결하기 위한 새로운 접근 방식을 모색했다. 연구팀은 ‘디옥시옥사노신(이하 dOxa1)’이라는 화합물과 핵산 기반 분자 인식 물질인 ‘압타머(aptamer)’와 결합해, 특정 단백질의 원하는 부위만 정밀하게 변형하는 기술을 구현했다.
연구팀은 이 기술을 검증하기 위해, dOxa를 표적 단백질 45개 반응기 중 단 하나에만 선택적으로 결합시켰다. 그 결과, 기존의 생체분자 변형 물질(NHS ester)보다 약 100만 배 더 안정적인 것으로 나타났다. 또한, dOxa는 실온에서 한 달 이상 보관할 수 있으며, 고질적 문제인 생체 환경에서도 4시간 만에 거의 100% 결합하는 결과를 보였다.
이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지인 <미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)> 온라인판의 부표지(Supplementary Cover) 논문으로 선정됐다.
자연 상태 단백질의 부위 및 작용기 선택적 결합을 위한 핵산 기반의 공유결합 모식도 / 출처 : BRIC Bio통신원
암 진단, 맞춤형 정밀치료 응용 가능
이번 연구에서 특히 주목할 만한 성과는, 살아있는 세포에서 암 세포 주요 지표가 되는 단백질(PTK7, nucleolin)을 동시에 각각 선택적으로 표지하는 데 성공했다는 점이다. 연구팀은 이를 통해 생체 내 단백질의 움직임을 실시간으로 관찰하는 것은 물론, 암 세포 성장 과정에서 이 지표 단백질 수용체가 어떤 역할을 하는지를 규명할 수 있었다.
이는 생체 환경에서 단백질 본연의 기능을 저하시키거나 손상시키지 않고, 특정 단백질만 변형하는 데 성공한 사례다. 이 기술은 향후 암 진단 및 치료를 넘어 다양한 분야에서 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
예를 들어 특정 암 세포만을 타깃으로 하는 항체-약물 접합체를 개발하는 데 활용할 수 있다. 또한, 암 조직을 선명하게 구별할 수 있는 생체 영상 기술 개발에도 기여할 수 있을 것이다. 특정 단백질만 정밀하게 변형할 수 있으므로, 단백질 조절을 통해 치료 효과를 높일 수 있는 맞춤형 정밀치료에서도 활용할 수 있다.
또한, 단백질의 특정 부위를 정밀하게 변형할 수 있다는 점을 이용해, 효소 기능을 조절할 수도 있다. 이는 신약 개발은 물론 생물학적 기능 연구에도 중요한 기여를 할 수 있을 것으로 기대되는 대목이다.
연구팀을 이끈 오승수 교수는 “이 기술은 단백질 기반 치료제부터 표적 약물 전달 같은 분야에서 널리 활용될 것”이라는 기대를 전했다. 연구의 제 1저자인 조혜성 박사는 “앞으로 항체-약물 결합체, 생명 메커니즘 연구 등 다양한 분야로 연구를 확장할 계획”이라고 덧붙였다.
이 기술은 특정 암 세포만을 타깃으로 하는 항체-약물 접합체 개발에 응용될 수도 있다 / 이미지 출처 : Motion Elements
※ 위 이미지는 본문 내용과 직접적 연관이 없음 / 이미지 출처 : Motion Elements
국내 연구진이 실시간 항균 및 항바이오필름 활성 분석 기술을 통해 ‘약용 참거머리(Hirudo nipponia)’의 타액선(침샘)에서 유래한 신규 항균 펩타이드를 발굴했다. 이를 바탕으로 ‘다제 내성균’, 즉 슈퍼 박테리아에 의한 감염병 치료제 개발 및 작용 기전 규명에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
다제 내성을 갖는 슈퍼 박테리아
항생제에 내성이 생긴다는 것은, 세균이나 박테리아가 항생제 효과에 저항해 생존하거나 증식할 수 있게 된다는 것을 의미한다. 이렇게 되면 감염병 치료가 더 어려워질 수밖에 없다. 항생제를 자주 사용하는 경우, 혹은 잘못된 항생제를 사용하는 경우 균이 약물에 저항하는 힘을 키워 내성이 생기게 된다.
그중에서도 다제 내성균(슈퍼 박테리아)이란, 여러 종류의 항생제에 내성이 생긴 박테리아를 말한다. 즉, 여러 항생제에 이미 내성을 갖고 있어, 실제 치료를 위해 사용할 수 있는 항생제가 몇 되지 않는 경우를 말한다.
질병관리청 국가건강정보포털에 따르면, 일반적으로 세 가지 계열 이상의 항생제에 내성을 가지게 되면 ‘다제 내성(Multidrug resistant)’라 부른다. 여기서 더 나아가 1~2가지 계열을 제외한 모든 항생제에 내성을 가질 경우 ‘광범위 내성(extensively drug resistant)’, 모든 계열의 항생제에 내성을 갖게 될 경우 ‘범약제 내성(pandrug resistant)’으로 본다.
거머리에서 발굴한 천연 항생물질
한국기초과학지원연구원(이하 KBSI) 호남권센터의 이성수 박사, 조선대학교 의과대학 신송엽 교수, 충북대학교 생물학과 조성진 교수로 구성된 공동 연구팀은 3차원 홀로토모그래피 기술을 이용해, 살아있는 슈퍼 박테리아의 항균 및 항바이오필름 활성을 실시간으로 확인했다.
항바이오필름(anti-biofilm)은 미생물이 생성하는 바이오필름을 억제하거나 제거하는 효과를 말한다. 바이오필름은 항생제나 항균제에 대한 저항성을 증가시켜 감염 치료를 어렵게 하기 때문에, 이를 무력화시키는 항바이오필름 효과가 중요성을 갖게 된다.
연구팀은 홀로그램 기술을 바탕으로 3차원 이미지를 생성하고, 이를 통해 거머리에서 유래한 천연 항생물질 ‘히루니핀 2(Hirunipin 2)’를 발굴했다. 또한, 이 물질의 항균 및 항바이오필름 효과를 검증해 새로운 내성균 치료제로서 가능성이 있다는 사실을 입증했다.
19개 후보 물질 중 최종 1개 발굴
이번 연구에서 사용한 3차원 홀로토모그래피 기술은 기존의 한계를 극복하는 새로운 방법으로 시도됐다. 3차원 홀로토모그래피는 박테리아를 추적해 항균 메커니즘을 분석하는 이미징 기법으로, 한 번의 실험에서 단일 물질에 대한 실시간 분석만 가능하다는 한계가 있었다.
그러나 이번 연구에서는 다량의 샘플을 동시에 분석할 수 있는 ODT-HTS(High-Throughput Screening) 기술을 도입했다. 이로써 신규 항생물질 발굴부터 항균 효과 검증까지 실시간 이미징 정량 분석을 활용했다. 특히, 항바이오필름 효과까지 실시간으로 분석해, 슈퍼 박테리아에 대한 작용 기전을 폭넓게 규명했다.
연구팀은 약용 참거머리의 침샘 전사체 DB를 분석하여, 항균 펩타이드의 구조 안정성, 항균 및 항염증 특성 등을 평가한 결과, 총 19개의 신규 천연 항생물질 후보를 발굴했다. 이들 후보 물질 중 ODT-HTS 분석을 통해 실제 항균 효과를 입증한 3개의 최종 후보를 선별한 다음, 항균 및 항바이오필름 활성 정도를 추가로 확인한 결과 최종적으로 ‘히루니핀 2’가 발굴됐다.
KBSI 이성수 박사는 “이번 연구는 국내 천연자원 DB와 국산 3차원 홀로토모그래피 기술을 결합해 내성균 치료제 개발 가능성을 제시하는 독창적 연구”라며 “향후 신규 항생제 개발 및 슈퍼 박테리아 연구에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 <어드밴스드 사이언스(Advanced Science)> 온라인판에 지난 13일(목) 게재된 바 있다.
논문명 : 신규 거머리 항균 펩타이드, 히루니핀: 광학 회절 토모그래피를 이용한 항균 및 항바이오필름 메커니즘의 실시간 3D 모니터링(Novel Leech Antimicrobial Peptides, Hirunipins: Real-Time 3D Monitoring of Antimicrobial and Antibiofilm Mechanisms Using Optical Diffraction Tomography)
천연물 유래 신규 항생물질 히루니핀 2 발굴 및 효용성 검증 / 제공 : 한국기초과학지원연구원, 출처 : BRIC Bio통신원
3차원 홀로토모그래피 활용 히루니핀 2에 의한 항바이오필름 효과 확인 / 제공 : 한국기초과학지원연구원, 출처 : BRIC Bio통신원
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이화여자대학교 화학·나노과학과 김동하 교수 연구팀이 ‘키랄 나노입자’와 빛을 활용해 암 세포를 제거할 수 있는 치료법을 개발했다. 연구팀은 이 치료법을 통해 암이 발생한 쥐에게서 종양 증식 억제 효과를 확인했다. 연구 결과는 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)>에 지난 15일(토) 온라인 게재됐다.
나노자임 치료법의 한계
‘나노자임(Nanozyme)’은 나노미터 크기의 인공 효소 또는 효소 유사 물질을 말한다. 생체 효소의 기능을 모방한 나노입자로, 활성산소종(ROS)을 생성해 암 세포 사멸을 유도하고 종양의 증식을 억제하는 치료법이다.
현재 나노자임을 활용해 ‘효소의 연쇄반응’을 모방하기 위한 연구들이 진행 중이지만, 인체의 반응 체계가 매우 복잡하여 각각의 반응을 정밀하게 조절하는 데 한계가 있었다. 촉매 반응이 연쇄적으로 발생할 때, 그 속도를 조절하거나 특정 반응만을 활성화하는 것이 어려운 부분이었다.
‘키랄 나노입자’ 활용법 제시
김동하 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 ‘키랄 나노입자’와 빛을 결합해, 연쇄 반응에서 개별 촉매의 반응만을 정밀하게 조절하는 방법을 제시했다. 연구팀은 우선 포도당 산화효소(GOD)와 과산화효소(POD)의 활성을 가진 ‘키랄 플라스모닉 나노입자(Chiral Plasmonic Nanoparticles, CPNs)’를 인공적으로 만들었다.
이 금속 나노입자는 키랄성(비대칭성)을 가지며, 특정한 방향성을 가진 ‘원형 편광’ 빛과 상호작용할 때 촉매 활성이 증가한다. 연구팀은 오른쪽 방향 원편광(RC)으로 D-금(Au) 나노입자의 포도당 산화효소(GOD) 반응을 활성화한 뒤, 왼쪽 방향 원편광(LC)으로 L-팔라듐(Pd) 나노입자의 과산화효소 반응(POD)을 순차적으로 유도했다.
이 경우 조절 과정 없이 연쇄적으로 반응시켰을 때보다 촉매 성능이 각각 1.25배와 1.9배 향상되고 암세포를 더욱 효과적으로 공격하는 것을 확인했다.
또한 비대칭 구조를 가진 D-금(Au) 나노입자가 암세포의 에너지원인 ‘D-글루코스’와 2배 높은 선택적 결합력을 보이며 전체 촉매 반응의 효율을 높이는 데 기여했다. 연구팀은 이어진 세포 연구와 동물실험에서도 우수한 암 치료 효과와 기술의 우수성을 입증했다고 밝혔다.
실제 의료 현장 적용 기대
이번 연구는 키랄성(비대칭성)을 도입한 나노입자가 생체의 자연 선택적 반응성을 모방하고, 빛을 통해 조절할 수 있는 기능을 추가함으로써 기존 나노자임 암 치료의 한계점을 극복할 수 있다는 점에서 의미를 가진다.
이 기술은 표적 약물 전달, 재생 의학 등 다양한 의료 분야에도 적용될 가능성이 있으며, 나노기술을 활용한 의학의 패러다임을 변화시킬 것으로 기대된다.
김동하 교수는 “향후 연구에서는 더 다양한 암 유형에 대한 적용 가능성과 임상 실험을 통한 효과 검증, 생체 적합성 개선 등이 이루어질 것으로 기대된다”며 “향후 키랄 나노입자를 활용한 새로운 광학적 항암 치료법이 실제 의료 현장에서 사용되기를 기대한다”고 밝혔다.
연구 결과를 담은 논문 「광학적으로 조절 가능한 촉매 암 치료를 위한 유사 효소 키랄 플라스모닉 나노입자(Optically tunable catalytic cancer therapy using enzyme-like chiral plasmonic nanoparticles)」는 이화 프론티어 10-10 사업의 일환으로 초빙된 바이오공학 분야 석학 하버드대학교 루크 리(Luke P. Lee) 초빙석좌교수와의 공동 연구로 수행됐다.
서울대 재료공학부 남기태·한정우 교수, 한국과학기술연구원 화학생명융합연구센터 김세훈 박사가 공동교신저자로 참여했다.
아주대학교 치과병원 채화성 교수(치과교정과)가 지난 3월 20일 스마트의료기기 상생포럼과 한국스마트의료기기산업진흥재단(KIMES)이 공동 개최한 ‘제 1회 상생포럼 의료진 의료기기 아이디어 공모전’에서 최우수상을 수상했다.
이번 공모전은 의료 현장의 창의적인 아이디어를 발굴하고, 이를 통해 의료기기 산업 발전과 임상현장 혁신을 촉진하기 위해 마련됐다.
채화성 교수의 수상작 ‘실시간 모니터링 기능을 갖춘 부정교합 교정 장치 및 시스템’은 환자의 교정치료를 보다 정밀하고 효과적으로 관리할 수 있는 혁신적인 기술을 적용했다는 점에서 높은 평가를 받았다. 이 기술은 부정교합 치료를 위해 착용하는 교정장치에 실시간 센서 및 데이터모니터링 기능을 추가하여 환자의 착용상태 및 교정력 여부를 정확히 분석할수 있도록 설계되었다.
특히 스마트 센서를 활용해 착용 패턴을 추적하고, 환자별 맞춤형 치료 가이드를 제공하는 것이 특징이다. 채화성 교수와 김영호 교수는 이 기술에 대해 아주대의료원 첨단의학연구원 의료기술사업팀을 통해 공동으로 특허를 출원했다.
채화성 교수는 수상 소감에서 “의료 현장에서 실질적으로 활용 가능한 의료기기 개발을 지속적으로 추진해 환자들의 삶의 질 향상에 기여하고 싶다”고 밝혔다.
아주대학교의료원 첨단의학연구원장 김철호 교수는 “이번 수상은 아주대학교 치과병원의 연구 역량과 혁신성을 인정받은 뜻깊은 성과”라며 “향후에도 의료진들의 아이디어를 적극적으로 지원하여 혁신적인 의료기기 개발 및 산업화에 기여하겠다”고 격려했다.
ISC 2025 심포지엄에서 모야모야병 극복을 위한 패널토의가 진행되는 모습 / 제공 : 엑소좀산업협의회
엑소좀산업협의회(EVIA) 회원사이자 삼성서울병원 스핀오프 기업인 에스엔이바이오(S&E Bio)가 미국뇌졸중학회(ISC 2025) 심포지엄에서 '모야모야병'의 비수술적 요법 치료의 가능성에 대해 발표했다.
지난 2월 미국 LA 컨벤션센터에서 열린 미국뇌졸중학회(ISC 2025)에서 희귀유전성 난치성 질환인 모야모야병을 극복하기 위한 심포지엄이 개최됐다. 이날 심포지엄에는 미국, 일본, 유럽, 한국의 석학들이 참석해 모야모야병의 원인 및 치료에 대한 다양한 논의를 나눴다.
특히 엑소좀산업협의회의 회원사인 에스엔이바이오에서 개발 중인 줄기세포-엑소좀 치료제 ‘SNE-101’의 모야모야병 환자에 대한 적용 가능성과 비임상 연구 결과가 발표됐으며, 현재 수술이 유일한 치료법인 모야모야병에서 비수술적 치료 가능성을 제시했다.
삼성서울병원 신경과 교수이자 에스엔이바이오 대표이사인 방오영 교수는 모야모야병 환자에서 결핍돼 있는 유전물질(마이크로 RNA-X, Y)을 함유한 줄기세포-엑소좀을 정맥주사해 모야모야병 환자 혈관세포의 기능을 회복시키고, 모야모야병 동물모델에서 감소된 뇌관류를 개선한 결과를 발표했다.
앞서 2024년 앰브로스-러브컨 교수가 마이크로 RNA 발견으로 노벨생리의학상을 수상한 바 있으며, 마이크로 RNA는 기존 단백질 치료의 한계를 보완하고 광범위한 유전자 네트워크를 조절할 수 있는 장점으로 인해 원인이 명확하지 않은 희귀질환 및 난치성 질환 치료에 유망한 옵션으로 주목받고 있다.
이번 심포지엄에서 좌장을 맡은 스탠퍼드 대학병원 신경외과 교수인 스타인버그 박사는 모야모야병의 새로운 치료제 개발 필요성을 강조하며 SNE-101의 연구 결과에 대한 기대감을 표명했다.
최철희 엑소좀산업협의회 회장은 “현재 모야모야병의 치료법이 수술에 한정된 상황에서 SNE-101과 같은 엑소좀 기반 치료제가 새로운 가능성을 제시했다는 점에서 이번 연구 발표는 매우 의미가 크다”며 “엑소좀 기술은 질병 치료의 패러다임을 바꿀 수 있는 혁신적인 접근법으로, 엑소좀산업협의회는 이러한 엑소좀 기술이 실제 환자 치료로 이어질 수 있도록 지속적으로 지원하겠다”고 말했다.
