<백우진 박사과정 학생>

 

 

이번 달에는 카이스트 바이오및뇌공학과 박지호 교수님 연구실에서 박사과정으로 연구를 하고 계시는 백우진 박사과정 학생과 인터뷰를 진행했습니다. 백우진 학생은 올해 5월 ‘Immunosuppressive Cytokine-Tethered Hydrogel for Treating Rheumatoid Arthritis’라는 주제로 Advanced Healthcare Materials에 논문을 게재하셨습니다

 

Q1. 안녕하세요, 이달의 학과 연구 성과 취재에 응해 주셔서 진심으로 감사드립니다. 간단한 자기 소개와 인사 말씀 부탁드립니다.

안녕하세요. 박지호 교수님 연구실의 백우진 박사과정입니다. 제 주요 연구 분야는 생체재료 기반치료 기술 개발과 진단을 위한 엑소좀 분리법으로 나눌 수 있습니다. 박사과정 초기에는 엑소좀을 활용한 진단 기술 개발을 목표로 고순도 분리 방법을 개발하였으며, 최근에는 하이드로젤과 같은 생체재료를 이용한 자가면역질환 치료제 기술 개발 연구에 집중하고 있습니다.

 

Q2. 올해 5월 publish된 ‘Immunosuppressive Cytokine-Tethered Hydrogel for Treating Rheumatoid Arthritis’ 논문에 대해 간단한 소개 부탁드립니다.

 

본 논문은 자가면역질환인 류마티스 관절염 치료를 위한 생체재료 기반 면역억제 치료제 연구입니다. 하이드로젤에 면역조절성 사이토카인 IL-4를 화학적으로 결합한 생체재료를 국소 투여하는 전략입니다. 관절 내에 주입 시 하이드로젤이 윤활제 역할을 하면서 동시에 하이드로젤에 부착 되어있는 IL-4가 M2 대식세포로의 분화를 유도해 염증성 사이토카인의 생성을 억제하여 면역 억제 환경(immunosuppressive environment)을 조성합니다. 이와 같이 개발된 하이드로젤은 관절에 국소적으로 주입되기 때문에 지속적으로 관절 내 면역 억제 환경을 유도할 수 있으며, 전신 면역억제 치료에서 발생하는 부작용도 줄일 수 있습니다. 

 

Q3. 히알루론산 기반 하이드로젤에 IL-4를 결합해 류마티스 관절염 치료제로 국소 투여하는 플랫폼을 개발하셨는데, 기존 치료 방식과 가장 큰 차별점은 무엇인가요?

가장 큰 차별점은 사이토카인을 하이드로젤에 고정화(conjugation/tethering) 했다는 점입니다. 기존 치료법은 정맥 등 전신 투여 방식이기 때문에 부작용 위험이 크고, 약물이 관절에 도달하기도 어렵습니다. 또한 IL-4를 직접 주사하는 방식은 해당 부위에서 빠르게 확산되거나 사라져 지속적인 효과를 내기 어렵다는 한계가 있었습니다. 더불어 기존에 연구되어지고 있는 약물 전달용 단순한 하이드로젤은 관절과 같이 지속적인 기계적 변형이 가해지는 부위에는 적용이 불가하다는 임상적 한계를 가지고 있습니다. 더불어 관절내 윤활제로서 작용할 수 있는 하이드로젤은 큰 pore size 때문에 (따라서 burst release의 문제로) 지속방출 용도로도 사용하기 힘듭니다.

이와 다르게 이번에 개발된 하이드로젤을 기반으로 한 저희 치료제는 IL-4가 하이드로젤에 화학적으로 결합되어 있습니다. 따라서 하이드로젤 자체가 면역 억제 기능을 가지고 있다고도 볼 수 있습니다. 이와 더불어 저희 하이드로젤은 연골 윤활제로서의 역할도 할 수 있도록 기계적 물성을 최적화했기 때문에 면역환경 조절뿐 아니라 관절내 연골의 손상으로 인해 유발되는 마찰 및 통증을 감경할 수 있는 질병 특이적 플랫폼입니다. 또한 burst release의 문제도 해결할 수 있습니다. 마지막으로 치료 물질이 하이드로젤에 부착된 형태로 관절에 주입되기 때문에, 전신적인 부작용 없이 관절 내 면역 환경을 효과적으로 조절할 수 있습니다.

 

Q4. 이어, 해당 연구를 시작하게 된 계기가 있는지 궁금합니다.

자가면역질환 치료제 개발에 대한 관심이 있었고, 이를 해결하기 위해 초기에는 세포치료제 기반 치료 전략을 구상했습니다. 그러나 여러 기술적·실험적 제약으로 인해 기대했던 효과를 얻지 못했고, 반복적인 실패를 겪었습니다.

이후 관점을 바꿔, 외부에서 세포를 주입하는 대신 체내 면역세포의 조절을 통해 치료효과를 유도해보면 어떨까 하는 생각을 해보게 되었습니다. 석사과정에서 수행했던 안구건조증 치료용 하이드로젤 연구를 떠올리며, 이를 기반으로 새로운 플랫폼을 설계하게 되었습니다.

 

Q5. IL-4를 하이드로젤에 고정화 하는 과정에서 다양한 최적화 시도를 하셨을 것으로 예상됩니다. 이 과정에서 가장 큰 기술적 과제는 무엇이었나요?

IL-4와 하이드로젤을 화학적으로 결합하는 과정에서 약물의 기능이 손상될 가능성이 가장 큰 우려였습니다. 이에 따라 in vitro assay와 사이토카인 분석을 통해 IL-4의 기능이 보존되는지를 철저히 검증했습니다.

또한 결합 전후 하이드로젤의 물성을 비교했을 때, 물리적 특성 변화가 거의 없다는 점을 확인하여 치료제로서의 가능성(feasibility)을 검증하였습니다.

 

Q6. 연구 또는 논문 작성 과정에서 예상치 못한 시행착오나 실패 사례가 있었나요? 이를 통해 얻은 교훈이 있으신 가요?

가장 큰 시행착오는 초기에 시도했던 세포기반 치료 전략의 실패입니다. 앞서 말씀드렸듯이, 1년 이상 세포 유전자 조작, 분화 유도, 생존율 확보 등 익숙하지 않은 분야의 실험을 반복했으나 기대한 결과를 얻지 못했습니다.

이후 아이디어를 전환해 석사 과정 중에 연구했던 하이드로젤 기술을 다시 활용하게 되었고, 상대적으로 보다 저렴하면서도 임상 적용 가능성이 높은 치료제 개발이라는 실용적 방향을 설정할 수 있었습니다. 실패를 두려워하지 않고 유연하게 방향을 조정하는 것이 중요한 교훈이었습니다.

 

Q7. 향후 이 연구 결과를 활용한 추가 연구나 계발 계획이 있으신 지 궁금합니다.

치료체를 연구하는 사람들에게는 연구한 기술이 임상 실험으로 가는 것이 가장 큰 보람이라고 생각 합니다. 현재 개발된 IL-4 결합 하이드로젤의 향후 임상적 응용 가능성에 대한 연구를 계획하고 있습니다. 이와 같은 맥락에서 박사과정 초창기부터는 폐암 수술을 위한 형광 및 조영제 기반 하이드로젤 개발 연구도 수행해 왔으며, 해당 기술 역시 임상 현장에서의 활용 가능성을 염두에 두고 있습니다. 폐암 환자의 암 종양 조직 절제 수술을 하기 위해서는 병변을 먼저 확인해야 하는데, 육안으로는 정상 조직이랑 종양이 잘 구분이 안 된다고 합니다. 그래서 수술 전 CT 촬영을 통해서 종양 위치를 파악하고 수술에 들어가게 됩니다. 이때 형광 신호뿐만 아니라 엑스레이에서도 잘 보이도록 조영제를 포함한 이중 영상용 하이드로젤을 활용해서 수술 부위를 표지하고, 궁극적으로는 영상 유도 수술에 활용할 수 있도록 하는 생체재료를 개발하는 연구를 하고 있습니다.

 

Q8. 올해 8월에 박사과정을 졸업하시는 것으로 알고 있습니다. 대학원 진학을 고민하는 후배들에게 선배로써 조언 부탁드립니다.

대학원 과정은 자신의 아이디어를 실현하고 새로운 가치를 창출할 수 있는 매우 독특한 경험이라고 생각합니다. 기업에서는 주어진 과제를 수행하는 것이 중심이지만, 대학원은 상상력과 자율성을 기반으로 문제를 정의하고 해결해 나가는 과정이기 때문에 더 많은 성취감을 느낄 수 있습니다.

자기 주도적으로 연구에 몰입할 수 있는 자세를 갖춘다면, 대학원 생활은 분명히 즐겁고 보람 있는 시간이 될 것입니다.