나노 의학

나노공학은 표준 분자와 같이 매우 작은 단위의 공간에서도 치료약을 전달할 수 있게 한다

Charles Wallace
7 June 2017

현재,의료연구에서가장흥미진진한개발분야중하나는나노의학으로,고도의표적치료및맞춤형치료제를 매우작게만들수있게하여지금까지불가능했던방식으로질병을치료할수있게한다.

의료연구 분야의 이 최신 '대세 기술' 은 믿을 수 없을 정도로 작다. 나노 의학의 세계에서는 약의 크기가 1m 의10억분의1정도로미세한데,이는가장 작은 모래알보다도 더 작은 크기다.

나노의학이란 광범위한 응용분야를 아울러 사용되고 있는 용어로, 제약분야로 부터 초 소형 의료용 로봇에 이르기까지 다양하다. 이러한로봇의역할은특정장기의현재상 황을 진단하기 위해 체내로 들어가거나, 종 양을 제거하고 심장마비의 원인이 되는 혈 액내 찌꺼기를 혈관을 돌아다니며 제거하는 등 다양한다.

오미드 파로크자드(Omid Farokhzad) 나노 의학및바이오소재연구소장은"이제맞춤 의학의 시대에 들어섰다"며, "곧, 훨씬 더 많 은특이표적작용제를접하게될것인데, 이들은너무똑똑해서몸안을두루돌아다 니면서 질병을 찾고 적절한 시기에 치료법 을 제시할 것"이라고 설명했다.

나노의학의잠재적이점덕분에수십개에 이르는 새로운 헬스케어 스타트업 기업이 탄생했는데, 이런 기업들은 대학 연구소에 의해 만들어지고 벤처캐피탈의 지원을 받는 경우가 보통이다. 혹자는이부문이재조합DNA와같은생물 학적 자원으로 블록버스터급 의약품을 만들 고 있고, 헬스케어 산업에 종사하는 정보 기 술 서비스 업체인 IMS Health에 따르면 2,000억 달러 규모의 산업을 창출하는 결과 를초래한생물학적혁명에필적할수있으 리라 예상하고 있다. 

미세한것의힘

작은것이더좋은이유는무엇인가?암과 같은질병을예로들수있다.현재의치료 법에는 통상적으로 몇 가지 형태의 화학요 법과암세포를공격하는강력한약이사용 되는데, 그런 것들은 일반적으로 체내에 흡 수되기 때문에, 화학요법 약제가 탈모부터 심장 이상까지 반갑지 않은 부작용을 초래 하기도 한다.

 

Nano

나노 국제단위계(International System of Units)에서, '나노(Nano)'는 10억 분의 1을 의미하는데, 종이 한 장의 두께는 약 100,000 나노미터이고, 인간 DNA 한 가닥의 지름은 2.5 나노미터이다.

한편나노의학은종양만표적으로하기때 문에 다음과 같은 부작용이 없다. 예를 들면, 종양은혈관에1나노미터폭의미세한균열 을만든다.더큰분자를사용하는기존의약 제와는 달리, 크기가 10억분의 1에 지나지 않 는분자로만든약제는그균열을침투해축 적되는데, 이 과정을 'EPR(Enhanced Permeation and Retention)' 효과라고 부른다.

리버풀 대학 화학과 교수이자 영국나노의학 회(British Society for Nanomedicine)의 공 동 설립자인 스티브 래너드(Steve Rannard) 는 "침투력이 강화된 약제가 건강한 조직보 다는종양에더많이축적되고유지력강화 로 오래 머무른다"고 말했다.

래너드교수는스타트업기업세곳을발굴 하는데힘을보탰는데,그중한곳은나노 기술을 이용해 AIDS를 초래하는 HIV를 위한 치료제의 분자 크기를 줄였다. HIV를 지닌 사람은 남은 인생 동안 매일같이 치료제를 복용해야하기때문에복용약의크기를현 격히 줄인다면 삼키기가 더 수월해질 것이 며, 정부나 보험사 입장에서도 약제에 지불 해야하는비용을줄일수있을것이다. 래너드 교수는 환자의 근육 조직에 주입할 수있는훨씬더작은치료제에대한연구를 하고있는데,이약은수주에걸쳐천천히 퍼져나가기 때문에 환자가 약 복용 시간을 지키기가 한결 더 수월해질 것이다.

래너드교수는"알약에대한부담을줄일수 있는 방법을 찾는다면, 나노 의학이 미래에 크게공헌할수있는시대가될것"이라고 설명했다. 

인도에서는 과학자들이 생명의 빌딩 블록이 라할수있는RNA분자를활용하는초미 세폴리머나노의학을이용해결핵을치료 하고있다.2014년인도국민220만명이결 핵에걸렸는데,이수치는전세계사례의 1/5 이상에 해당한다고 뭄바이 ICT 약과학기 술과 조교수인 프라자카타 단데카르 재인 (Prajakata Dandekar Jain)는 말했다.

재인 조교수는 "현재, 결핵균의 생존을 담당 하는단백질을파괴할분자에대해연구중" 이라고 말했다. 나노의약품은 결핵을 유발하 는 벌레인 마이코박테리아 결핵균의 세포 벽을뚫고들어갈수있을만큼작다.한편  재인 조교수 연구실에서는 EPR을 이용한 암 치료법에 대해서도 연구하고 있다.

고속성장분야

나노 의학의 복잡성을 완화하기 위해 화학, 물리학, 생물학, 공학 등 광범위한 분야의 과학자들이 연구 프로젝트에 함께 참여하여 연구 성과의 폭발적 성장에 기여하고 있다.

출처: National Nano Technology Initiative, US Science and Technology Counc

나노 의학의 복잡성을 완화하기 위해 화학, 물리학, 생물학, 공학 등 광범위한 분야의 과학자들이 연구 프로젝트에 함께 참여하여 연구 성과의 폭발적 성장에 기여하고 있다.

Brigham and Women's Hospital의 파로크 자드소장은주사제를입으로복용할수있 는형태로바꿀수만있다면나노의약품은 그 혁신성을 증명해 보이는 셈이라고 말했 다.문제는최신바이오의약품에대부분함 유된단백질이소화계를지날수가없어환 자에게 주사로 약을 주입할 수밖에 없다는 점이다. 하지만 사람들은 대부분 큰 주사바 늘에 찔리는 것을 싫어하기 때문에 규정을 준수하기가 어려운 실정이다.

파로크자드 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 수유영아들이 모유에서 인간 항체를 어떻게 흡수하는지에 대해 연구했다. 이 메 커니즘을 파헤치기 위한 초기 시도에서 실 패한후,파로크자드소장은자신의팀이거 의항상주사로투입하던인슐린분자수천 개를나노입자하나에밀어넣었기때문에 소화기관에 손쉽게 흡수될 것이라고 말했다. 파로크자드 소장은 "실로 놀라운 결과를 얻 었다"며, 종국의 경구 인슐린 치료의 발판을  마련한 셈이라고 설명했다.

파로크자드 연구팀은 다른 나노 의약품이 암세포를표적으로삼는것처럼비만퇴치 를위해지방조직을공격하는나노입자를 만들었다. 이 나노 입자들은 지방을 파괴하 는대신새로운혈관형성을촉진해지방이 저장되는 백색 지방 조직을 에너지를 태우 는 '좋은 지방'인 갈색 지방 조직으로 변화하 는 것을 돕는다. 이 치료를 받은 쥐의 체중 이10%빠진것을보면만성비만자들에게 희망을 준 셈이다.

이 지방 처치법에서는 EPR 방법을 이용하 는대신표적분자로특수부호화된폴리머 를 사용했는데, 이런 분자들이 체내 어디에 서나볼수있는단백질이아니라지방조 직을둘러싸고있는혈관내단백질과결합 하는 것이다. 파로크자드 소장은 "마치 자동 차에서 GPS 시스템이 길을 찾는 것과 같다" 고 말했다.

약이외의나노의학

나노입자가제약에만기여할수있는것은 아니다. 새롭게 알아낸 한 치료법은 환자에 게 SPION(초상자성 산화철 나노입자)이라고 하는 초미세 입자를 주입하는 것이다. 자성 체를 이용한 SPION은 발견한 종양과 같은 체내의 특정 위치로 전달되는데, 해당 위치 에 도착하면 자기력이 발생해 SPION을 발 열시켜종양을죽인다.래너드교수는이프 로세스의최대장점은열이종양안에국한 되어 다른 신체 부위는 손상시키지 않는다 는 것이라고 말했다.

금 나노입자를 활용한 이와 유사한 치료도 시도되었는데, 금도 비슷한 발열 효과가 있 기 때문이다. 하지만, 과학자들은 자성체를 이용하는 대신 자외선 레이저로 금 나노입 자를 발열해 피부 속으로 스며들게 만든다. 발열된 나노입자들은 부작용 없이 종양을 파괴한다.

나노입자는 비침습적 진단 영상 촬영용으로 도 활용할 수 있다. 예를 들면, SPION을 활 용해 종양과 주위의 조직에서 혈관이 어떻 게 발달했는지 보여줄 수 있는데, 그러면 의 사들이 최선의 치료법을 결정하는데 큰 도 움이 될 것이다.

또 다른 응용 기술은 사물 인터넷(IoT) 기술 과 나노입자를 연계하는 것인데 이 프로세스 는 "스마트 더스트"라고 부른다. 일례로, 캘리 포니아 레드우드 시티에 본사를 두고 있는 기술업체 Proteus Digital Health는 이미 Proteus Discover라고 하는 패키지를 판매 하고있다.이패키지에는모래알크기의섭 취불가한센서가1개들어있는데이센서가 복부에 도달하면 수집한 데이터를 초소형 스 킨패치로전송한다.또다른응용분야에서 는이센서를초소형약캡슐에부착해환자 가처방에따라약을복용할때보건의료전 문가에게 이를 알리도록 하는 경우도 있다.

다음은 나노외과 차례인가?

다양한응용분야가속출하면서훨씬더환 상적인 치료법이 연구되고 있다. 예를 들면, 과학자들은 빛이나 자성으로 조종할 수 있 는나노크기로봇을개발했는데,이런로봇 은동맥플라크를제거하는등특정임무를 수행할 수 있으리라 기대된다. 하지만, 이런 기술이 현실이 되기까지는 아직 많은 시간 을 기다려야 할 것이다.

파로크자드 소장은 "현재로선 이런 기술들이 믿기지않겠지만몇십년만지나도기본적 인 응용 기술이 되어 있을 것"이라며, "이미 나노의학이 환자들에게 불러올 수 있는 실 질적인 이점이 나타나고 있다"고 말했다.

보다 자세한 정보는
http://3ds.one/nanomed

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