서울 건국대학교 김준영 교수(생물공학과) 연구팀이 영국 옥스퍼드대학교, 사우스햄튼대학교 연구진과 공동으로 위장관의 복잡한 생리적 장벽을 순차적으로 극복하는 ‘다단계 약물 전달 마이크로로봇’을 개발했다. 연구 결과는 사이언스(Science)의 자매지인 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’(IF=12.5)에 7월 15일 게재됐다.

경구 약물은 복용 후 위산과 소화효소, 점액층, 장운동, 유체 흐름 등 다양한 위장관 장벽을 통과해야 하기 때문에 목표 조직까지 충분한 양의 약물을 전달하기 어렵다. 기존 약물 전달 기술 가운데 나노입자는 암세포를 선택적으로 인식하는 데에는 강점이 있지만 장기 내부에서 원하는 위치까지 이동하기 어렵고, 마이크로로봇은 외부 자기장을 이용해 목표 지점까지 이동할 수 있지만 세포 수준의 정밀한 표적화에는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 자성 마이크로로봇과 혈소판막으로 코팅한 나노입자를 하나의 플랫폼으로 결합했다. 마이크로로봇 내부에는 항암제를 담은 혈소판막 코팅 나노입자를 탑재했으며, 외부 자기장을 이용해 목표 부위까지 이동하도록 설계했다. 또한 마이크로로봇 표면에는 pH 반응형 보호막을 적용해 위와 같은 강한 산성 환경에서는 약물을 보호하고, 장에 도달하면 보호막이 분해되면서 나노입자가 방출되도록 했다. 이후 방출된 나노입자가 혈소판막 단백질을 이용해 대장암세포에 선택적으로 결합하는 방식이다.

연구팀은 정상 대장 상피세포와 융모 유사 구조, 유체 흐름, 대장암세포 구상체를 구현한 대장 모사 미세유체칩에서 약물 전달 성능을 검증했다. 그 결과, 두 개의 마이크로로봇을 이용해 나노입자를 전달했을 때 나노입자만 투여한 경우보다 암 조직 모사체 내 나노입자 잔류량이 약 4.6배 증가했으며, 대장암세포에 대한 독성 효과도 최대 4.3배 향상됐다.

또한 돼지의 위와 장 조직을 이용한 체외 실험에서는 여러 개의 마이크로로봇을 사슬 형태로 조립해 실제 위장관 환경과 유사한 조건에서 성능을 확인했다. 조립된 마이크로로봇은 평평한 표면뿐 아니라 부드럽고 굴곡진 위·장 조직 표면에서도 자기장에 따라 안정적으로 이동해 실제 위장관 환경에서도 활용할 수 있는 가능성을 보여줬다.

이번 연구는 장기 수준에서 목표 위치까지 이동하는 마이크로로봇과 세포 수준에서 암세포를 인식하는 생체모방 나노입자를 하나의 플랫폼으로 결합했다는 점에서 의미가 크다. 특히 위장관의 pH 변화와 유체 흐름을 활용해 약물을 보호하고 목표 부위에서만 선택적으로 방출함으로써 기존 단일 규모 약물 전달 시스템의 한계를 보완했다.

김준영 교수는 “이번 연구는 마이크로로봇의 능동적인 위치 제어와 혈소판막 나노입자의 암세포 표적 기능을 순차적으로 결합해 서로 다른 크기의 생물학적 장벽을 극복하는 새로운 약물 전달 전략을 제시한 것”이라며 “향후 동물 모델에서 생체 내 이동과 약물 분포, 치료 효과 및 안전성을 검증해 정밀 경구 약물 전달 기술로 발전시킬 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 옥스퍼드대학교, 임페리얼 칼리지 런던, 사우스햄튼대학교, 건국대학교, 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 참여한 공동 연구로, 건국대 김준영 교수와 영국 사우스햄튼대학교 루지에 선(Rujie Sun) 교수, 옥스퍼드대학교 이쉬안 렁(Yixuan Leng) 연구원이 공동 제1저자로 참여했고, 옥스퍼드대학교 몰리 스티븐스(Molly M. Stevens) 교수가 교신저자를 맡았다. 본 연구는 한국보건산업진흥원과 한국연구재단, 영국 왕립학회 등의 지원을 받아 수행됐다.

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