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신약 후보물질 발굴 속도를 획기적으로 높여 신약 개발 과정 전반을 가속화할 수 있는 기술이 국내 연구진을 통해 개발됐다. 기존에 개발된 기술의 한계들을 극복해, 제약 분야의 연구개발 효율성을 극대화시킬 수 있을 것으로 기대된다.

 

신약 개발 과정 가속화할 새로운 기술

신약 개발 과정은 보통 수년 이상의 긴 시간을 필요로 한다. 각종 절차를 따르기 위해 소요되는 시간도 있지만, 순수하게 약물을 개발하는 데도 상당한 시간이 걸린다. 수백, 수천 가지 화합물 중에서 잠재적인 후보물질을 찾아야 하고, 동물실험이나 오가노이드 등을 통해 안전성과 효능을 평가해야 한다. 이 과정에서 시간이 많이 걸리며, 결과에 따라 추가 실험이 필요할 수도 있다.

특히 약물의 메커니즘과 안전성을 명확하게 파악하기 위해 한 번에 한 가지 화합물을 검증하는 방식이 일반적으로 사용돼 왔다. 이는 각 화합물의 생리적 반응이나 특성을 면밀하게 분석할 수 있는 최선의 방법이지만, 후보물질 발견부터 검증까지의 전체 프로세스가 길어지게 만드는 주된 이유로 꼽히기도 한다.

최근 신약 개발 과정의 효율성 문제를 해결하기 위해 ‘DNA-암호화 라이브러리(DNA-Encoded Library, DEL)’ 기술이 등장한 바 있다. 이는 개별 화합물이 고유한 암호화 DNA 태그와 연결된 형태다. 수만, 수억 개의 화합물을 동시에 스크리닝할 수 있는 기술이다. 신약 개발 과정에서 많은 시간을 필요로 하는 후보물질 발견 및 검증 프로세스를 대폭 줄이는 것은 물론 연구 비용도 크게 절감할 수 있는 기술로 주목받고 있다.

다만, DEL 기술은 DNA의 용해도 문제로 모든 반응이 반드시 물에서만 진행돼야 한다는 한계가 있었다. 또한, DNA는 다양한 화학반응 조건에서 쉽게 손상될 수 있으므로, 활용할 수 있는 반응이 극히 제한적이라는 점도 문제였다.

 

나노 기술과 접목해 한계 극복

포스텍(포항공과대학교, POSTECH) 화학과·첨단재료과학부·융합대학원 임현석 교수와 서종철 교수 공동 연구팀은 이러한 DEL 기술의 한계를 해결할 수 있는 방법으로써 ‘나노 기술 플랫폼’을 개발했다.

연구팀은 나노입자 표면에 DNA와 화합물을 결합시킨 ‘나노DEL(NanoDEL, Nanoparticle-Based DEL)’을 개발했다. 나노입자는 물뿐만 아니라 유기 용매에서도 안정적으로 분산될 수 있기 때문에, 기존 DEL 기술로는 불가능했던 ‘무수반응(moisture-sensitive reactions)’ 등 용매 종류에 상관없이 다양한 화학 반응을 자유롭게 수행할 수 있다.

* 무수반응(moisture-sensitive reactions)  : 수분에 민감한 시약을 사용하는 화학 반응. 신약 후보물질 합성이 널리 활용된다. : 기존 DEL 기술은 수용액에서만 반응이 가능하므로 무수반응을 구현할 수 없다.

 

또한, 나노DEL 기술은 DNA 손상 문제도 해결했다. 기존 DEL 기술의 경우 DNA가 쉽게 손상돼 활용하는 데 한계가 있었다. 하지만 나노DEL에서는 하나의 나노입자에 여러 개의 DNA 태그를 부착할 수 있기 때문에, 일부 DNA가 손상되더라도 남아있는 태그를 통해 분석이 가능하다. 

비유하자면 백업용 USB가 여러 개 있는 셈이므로, 더욱 안정적으로 데이터 분석을 할 수 있는 것이다. 이는 신약 개발 과정의 시간적, 금전적 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 길을 제시해준다.

논문 제 1저자인 왕희명 박사는 “나노DEL 기술은 기존보다 100배 이상 다양한 화합물 라이브러리를 구축할 수 있기 때문에, 난치병 치료제 등의 개발 기간을 획기적으로 단축할 수 있으며, 신약 후보물질 발굴 가능성을 크게 높일 수 있을 것”이라는 기대를 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.

 

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.

 

생명윤리적 문제와 높은 비용 문제가 동반됐던 동물실험을 축소 혹은 대체할 수 있는 가능성이 열렸다.

포스텍(포항공대) 김동성 교수 연구팀과 울산과학기술원(UNIST) 박태은 교수 연구팀이 공동으로 ‘오가노이드 대량 생산 플랫폼’을 개발했다. 오가노이드(Organoid)란 줄기세포를 3차원적으로 배양 또는 재조합해 만든 것으로, ‘장기 유사체’ 혹은 ‘미니 장기’로도 불린다.

 

재현성 낮아 대량 생산 한계

오가노이드는 실제 장기와 유사한 기능을 수행하는 3차원 구조체다. 인간 장기의 발달, 장기에 발생하는 질병의 모델링, 약물 개발 및 독성 검사, 재생 의학 연구, 개인 맞춤형 치료법 개발 등 다양한 분야에서 주목받는 기술이다. 그만큼 산업적으로 많은 수요가 존재한다.

하지만 오가노이드를 생산하는 기존 기술로는 이를 충족시킬 수 없었다. 가장 큰 문제는 비균질성과 낮은 재현성이다. 오가노이드는 기본적으로 세포를 배양해 3차원 구조를 형성하는 방식으로 만들어진다. 즉, 세포를 어디서 확보했는지, 그리고 배양 조건이 어떤지가 매우 중요하다. 

각 세포마다 최적의 조건이 다르기 때문에 그에 맞춰 배양 매체와 환경이 미세한 수준에서 조절돼야 하는 ‘맞춤형 배양’이 기본이기 때문에 대량 생산이 쉽지 않다. 아주 미세한 차이로도 배양 결과물이 다르게 나타날 수 있으며, 이 때문에 같은 장기를 모사한 오가노이드라 해도 그 특성이 서로 다를 수 있다. 실험 분야에서의 일관성, 즉 ‘재현성’이 낮아진다.

 

필요한 물질만 선택적 투과

공동 연구팀은 성숙한 오가노이드의 대량 생산이 가능한 플랫폼 ‘유니맷(UniMat)’을 개발했다. 이는 머리카락의 200분의 1 굵기에 해당하는 나노섬유를 활용, 3차원 멤브레인(얇은 막)을 구현한 것이다. 이를 통해 오가노이드가 균일하게 형성될 수 있는 구조적 환경을 제공한다. 

이 얇은 막은 물질 투과성을 가져 오가노이드의 분화에 필요한 인자와 성숙에 필요한 영양분을 효율적으로 공급할 수 있도록 설계됐다. 이는 오가노이드 분화에 변수가 될 수 있는 요건을 통제하고, 필요한 물질만 선택적으로 통과시킨다는 점에서 ‘혈뇌장벽’과 유사한 메커니즘이라 할 수 있다.

줄기세포가 각각의 장기로 분화하는 데 최적화된 조건을 멤브레인 형태로 구현하고, 그 과정에 영향을 미칠 수 있는 요인을 통제하는 구조적 환경이 유니맷의 핵심이다. 이를 통해 오가노이드의 균일한 형성 및 성숙을 가속화할 수 있다.

 

인간 신장 대량 생산 성공

공동 연구팀은 유니맷을 통해 인간 유도만능줄기세포로부터 인간의 신장(Kidney)과 유사한 네프론 구조 및 혈관이 형성된 신장 오가노이드를 일관된 품질로 생산하는 데 성공했다. 생산 효율 또한 크게 개선됐다. 한편, 유니맷을 활용해 다낭성 신장 질환 모델을 구축하고, 이를 통해 질병 모델링 및 약물 평가 가능성이 있다는 것도 확인했다. 

이는 향후 일관된 품질의 오가노이드를 기존에 비해 대량으로 생산할 수 있도록 하는 초석이 될 것으로 보인다. 또한, 임상 및 연구 현장, 제약 산업 등에서의 실질적 활용을 위한 발판으로도 볼 수 있다.

한편, 동물실험 후 임상시험 단계를 거치던 기존의 절차를 대체할 수 있는 가능성도 높아졌다. 오가노이드가 동물 모델에 비해 인간의 생리적 반응을 더 정확하게 반영할 수 있으며, 동물을 희생시키지 않아도 되므로 윤리적인 문제도 해결된다. 동물 모델을 사용함으로써 발생하는 높은 비용과 시간 소요 문제에도 해법을 제시할 수 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ‘바이오·의료기술 개발사업, 중견연구, 우수신진연구’ 지원을 통해 수행됐다. 연구 결과는 국제 학술지 「네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)」에 온라인 게재됐다.

국내 연구팀이 주도한 국제 공동 연구팀이 암 세포 주변의 ‘면역조절 T세포’를 무력화할 수 있는 방법을 발굴했다. 

 

암 세포 돕는 면역세포, ‘선택적 억제’ 필요

면역조절 기능을 가진 T세포(이하 Treg)는 과도한 면역 반응을 억제하는 역할을 한다. 과도한 면역 반응의 예로는 음식물 등에 의한 알레르기, 또는 자신의 조직을 공격하는 자가면역 반응을 들 수 있다. Treg는 이러한 과민 반응을 조절함으로써, 적정 수준의 면역이 이루어지도록 조절하는 역할을 한다.

그러나 Treg가 암 세포 주변에 있을 경우에는 이야기가 달라진다. 암 세포 주위의 Treg는 다른 면역세포들이 암 세포를 공격하지 않도록 보호하는 역할을 한다. 특히 ‘종양 침윤 조절 T세포(이하 TIL-Treg)’의 경우, 다른 면역세포의 활동을 억제해 암 세포가 면역 작용을 피할 수 있도록 돕는다. 이로 인해 종양의 성장을 돕는 역기능을 한다.

이 때문에 암 치료 전략에 있어 암 세포 주변의 TIL-Treg가 제 역할을 하지 못하도록 하는 것은 매우 중요한 포인트가 된다. 특히 신약 개발 분야에서는 보다 효과적인 항암제를 개발하기 위한 주요 목표로 여겨지고 있다.

문제는 Treg를 몸 전체에서 불활성화시키는 것은 위험하다는 데 있다. Treg의 순기능을 고려했을 때, 이들이 일괄적으로 작용을 멈추면 심각한 알레르기 및 자가면역 반응이 발생할 수 있다. 이로 인해 전신에 염증이 퍼지면 다발성 장기부전을 유발할 우려도 생긴다. 따라서 학계에서는 Treg의 기능을 암 세포 주변에서만 선택적으로 억제하도록 하는 데 연구의 주된 목표를 두고 있다.

 

암 세포 지키는 면역세포, 에너지 공급 차단

포스텍(POSTECH) 생명과학과·융합대학원 임신혁 교수는 바이오미래기술혁신연구센터 아밋 샤르마 박사 연구팀, 중국 상하이텍 디파얀 루드라 교수팀 등과의 공동 연구를 진행했다. 그 결과 ‘GLUT 3’ 단백질을 활용해 암 세포 주변의 Treg를 선택적으로 무력화할 수 있는 방법을 찾아냈다.

연구팀은 Treg가 암 세포 주변에서만 독특한 대사 특성을 가질 거라고 보고, TIL-Treg의 포도당 대사 경로를 면밀히 분석했다. 그 결과, TIL-Treg가 GLUT 1이 아닌 GLUT 3을 사용해 포도당을 흡수한다는 사실을 발견했다.

GLUT 3은 포도당을 세포로 운반하는 단백질의 일종이다. 주로 뇌 신경세포(뉴런)에서 발견되는 포도당 운반체로 알려져 있다. 연구팀은 암 세포 주위의 환경에 GLUT 3 단백질이 존재하며, TIL-Treg가 GLUT 3을 통해 포도당(에너지)을 흡수하면서 제 기능을 유지한다는 것을 발견했다. 즉, 암 세포 주위의 GLUT 3을 제거하면 에너지를 공급받지 못한 TIL-Treg를 무력화시킬 수 있다는 것이다.

이에 연구팀은 쥐 모델에서 GLUT 3을 선택적으로 제거한 다음 분석을 실시했다. 그 결과, 예상했던 대로 Treg의 면역 억제 기능이 사라졌다. 암 세포를 지키는 면역세포가 불활성화됨으로써, 다른 면역세포의 활동이 증가해 종양 성장이 억제된다는 것을 확인했다.

또한, GLUT 3을 통한 포도당 흡수가 단백질 수정 대사 경로를 활성화한다는 것도 발견했다. 즉, TIL-Treg의 기능과 생존에 필요한 단백질을 생성함으로써 종양 특이적 특성을 유지하도록 돕는다는 사실도 확인했다. 이에 고려대학교 의과대학 곽정면 교수팀과 함께 종양 환자로부터 얻은 시료를 활용해 실험을 진행했고, 마찬가지로 종양 성장이 억제되는 결과를 확인했다.

 

안전성 높은 암 치료법 제시

이번 연구는 GLUT 3을 타깃으로 삼아 제거하는 약물이 Treg의 활성을 선택적으로 억제할 수 있음을 밝혀낸 것이다. 이로써 보다 안전하게 암 세포에 대한 면역 반응을 강화할 수 있다는 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

특히 정상 세포 손상은 일으키지 않고, 암 세포 주변의 Treg만 선택적으로 불활성화함으로써 부작용을 최소화한다는 것이 핵심이다. 이로써 보다 효과적으로 항종양 면역 반응(암 세포를 공격해 제거하는 반응)을 강화할 수 있는 치료법 개발의 기초를 마련한 것이다.

이번 연구 논문의 제 1저자인 아밋 샤르마 박사는 암 세포 주변 Treg의 활성에 관여하는 GLUT 3의 역할을 강조했다. 그는 “암 세포 주변의 Treg가 제한된 조건에서 살아남기 위해 특정 포도당 수송 경로를 활성화한다는 것은 흥미로운 발견”이라며, “GLUT 3 기반 치료법이 앞으로 항종양 면역을 강화할 것”이라고 전했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 우수중견연구 및 혁신연구센터 지원사업을 통해 수행됐으며, 그 결과는 면역 분야 국제 학술지인 「세포 및 분자 면역학(Cellular and Molecular Immunology」에 게재됐다.