bioeng_admin
2015-04-10 17:32:08
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우리 대학 바이오및뇌공학과 박지호 교수 연구팀이 종양의 전역에 약물이 골고루 전달되게 해 항암효과를 현저히 높일 수 있는 새 항암치료 나노기술을 개발했다.
이번 연구는 나노분야 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’3월 31일자 온라인 판에 게재됐다.
일반적으로 수술이 어려운 종양의 치료를 위해 항암약물치료법이 사용된다. 하지만 종양이 외부로 들어오는 약물의 접근을 여러 방법으로 막기 때문에 종양 전체에 항암효과를 보기 어려웠다. 혈류로 투여된 약물들의 대부분이 혈관주위의 종양세포들에만 전달되고, 중심부의 종양세포에는 전달되지 않아 재발 문제가 자주 발생한 것이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 리포좀과 엑소좀이라는 소포체를 이용했다. 리포좀은 인공나노소포체로서 혈류를 통해 혈관 주위의 종양 세포 부위까지 약물을 전달한다. 종양 세포에서 자연적으로 분비되는 생체나노소포체인 엑소좀에 약물을 무사히 탑재하는 것이 리포좀의 역할이다.
엑소좀은 종양에서 세포 내부의 생물학적 물질들을 전달하기 때문에 종양의 진행 및 전이에 중요한 요소로 알려져 있다. 리포좀이 항암 약물을 엑소좀에 탑재하면, 엑소좀이 이동하는 종양 내의 모든 위치로 약물이 전달됨으로써 질병이 치료되는 것이 연구의 핵심이다.
연구팀은 이 기술을 이용해 빛에 반응해 항암효과를 내는 광과민제를 종양이 이식된 실험용 쥐에 주입했다. 이후 종양 부위에 빛을 노출시켜 항암효과를 유도한 후 분석한 결과 종양조직 전역에서 항암효과를 관찰할 수 있었다.
연구팀의 핵심 성과는 종양 및 다른 질병들의 미세 환경을 파악해 질병에 대항하는 맞춤형 약물전달 기술 개발의 발판을 마련한 것이다.
연구팀은 이 기술을 제약회사에서 개발 중인 항암제에 적용해 약물전달이 어려운 악성 종양의 치료효과를 실험 진행 중이다.
박 교수는 “엑소좀이 세포에서 끊임없이 분비되는 특성과 주변 세포로 생물학적 물질을 전달하는 특성을 응용해 종양 중심부까지 약물을 전달 가능하게 만든 최초의 연구”라고 말했다.
박지호 교수 지도아래 이준성 박사, 김지영 석사가 주 저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 신진연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, 미래유망융합기술파이오니어사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림설명
그림 1. 종양 전역에 약물이 골고루 전달되게 해 항암효과를 높이는 새 종양투과 약물전달 나노기술.
세포막과 결합하는 리포좀에 의해서 세포로 전달된 물질이 그 세포가 분비하는 엑소좀에 효율적으로 탑재돼 주변세포로 전달되는 과정을 보여주는 모식도(좌).
이러한 엑소좀기반 세포간 약물전달이 실제로 종양 스페로이드 및 생체 내 종양모델에서 관찰된 결과들 (우).
KAIST’s Department of Bio and Brain Engineering Professor Ji-Ho Park and his team successfully developed a new highly efficacious anti-cancer nanotechnology by delivering anti-cancer drugs uniformly to an entire tumor. Their research results were published in Nano Letters online on March 31, 2015.
To treat inoperable tumors, anti-cancer medicine is commonly used. However, efficient drug delivery to tumor cells is often difficult, treating an entire tumor with drugs even more so.
Using the existing drug delivery systems, including nanotechnology, a drug can be delivered only to tumor cells near blood vessels, leaving cells at the heart of a tumor intact. Since most drugs are injected into the bloodstream, tumor recurrence post medication is frequent.
Therefore, the team used liposomes that can fuse to the cell membrane and enter the cell. Once inside liposomes the drug can travel into the bloodstream, enter tumor cells near blood vessels, where they are loaded to exosomes, which are naturally occurring nanoparticles in the body. Since exosomes can travel between cells, the drug can be delivered efficiently into inner cells of the tumor.
Exosomes, which are secreted by cells that exist in the tumor microenvironment, is known to have an important role in tumor progression and metastasis since they transfer biological materials between cells. The research team started the investigation recognizing the possibility of delivering the anti-cancer drug to the entire tumor using exosomes.
The team injected the light-sensitive anti-cancer drug using their new delivery technique into experimental mice. The researchers applied light to the tumor site to activate the anti-cancer treatment and analyzed a tissue sample. They observed the effects of the anti-cancer drug in the entire tumor tissue.
The team’s results establish a ground-breaking foothold in drug delivery technology development that can be tailored to specific diseases by understanding its microenvironment. The work paves the way to more effective drug delivery systems for many chronic diseases, including cancer tumors that were difficult to treat due to the inability to penetrate deep into the tissue.
The team is currently conducting experiments with other anti-cancer drugs, which are being developed by pharmaceutical companies, using their tumor-penetrating drug delivery nanotechnology, to identify its effects on malignant tumors, which were difficult to penetrate with existing technology.
Professor Park said, “This research is the first to apply biological nanoparticles, exosomes that are continuously secreted and can transfer materials to neighboring cells, to deliver drugs directly to the heart of tumor.”
Picture: Incorporation of hydrophilic and hydrophobic compounds into membrane vesicles by engineering the parental cells via synthetic liposomes.
이번 연구는 나노분야 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’3월 31일자 온라인 판에 게재됐다.
일반적으로 수술이 어려운 종양의 치료를 위해 항암약물치료법이 사용된다. 하지만 종양이 외부로 들어오는 약물의 접근을 여러 방법으로 막기 때문에 종양 전체에 항암효과를 보기 어려웠다. 혈류로 투여된 약물들의 대부분이 혈관주위의 종양세포들에만 전달되고, 중심부의 종양세포에는 전달되지 않아 재발 문제가 자주 발생한 것이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 리포좀과 엑소좀이라는 소포체를 이용했다. 리포좀은 인공나노소포체로서 혈류를 통해 혈관 주위의 종양 세포 부위까지 약물을 전달한다. 종양 세포에서 자연적으로 분비되는 생체나노소포체인 엑소좀에 약물을 무사히 탑재하는 것이 리포좀의 역할이다.
엑소좀은 종양에서 세포 내부의 생물학적 물질들을 전달하기 때문에 종양의 진행 및 전이에 중요한 요소로 알려져 있다. 리포좀이 항암 약물을 엑소좀에 탑재하면, 엑소좀이 이동하는 종양 내의 모든 위치로 약물이 전달됨으로써 질병이 치료되는 것이 연구의 핵심이다.
연구팀은 이 기술을 이용해 빛에 반응해 항암효과를 내는 광과민제를 종양이 이식된 실험용 쥐에 주입했다. 이후 종양 부위에 빛을 노출시켜 항암효과를 유도한 후 분석한 결과 종양조직 전역에서 항암효과를 관찰할 수 있었다.
연구팀의 핵심 성과는 종양 및 다른 질병들의 미세 환경을 파악해 질병에 대항하는 맞춤형 약물전달 기술 개발의 발판을 마련한 것이다.
연구팀은 이 기술을 제약회사에서 개발 중인 항암제에 적용해 약물전달이 어려운 악성 종양의 치료효과를 실험 진행 중이다.
박 교수는 “엑소좀이 세포에서 끊임없이 분비되는 특성과 주변 세포로 생물학적 물질을 전달하는 특성을 응용해 종양 중심부까지 약물을 전달 가능하게 만든 최초의 연구”라고 말했다.
박지호 교수 지도아래 이준성 박사, 김지영 석사가 주 저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 신진연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, 미래유망융합기술파이오니어사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림설명
그림 1. 종양 전역에 약물이 골고루 전달되게 해 항암효과를 높이는 새 종양투과 약물전달 나노기술.
세포막과 결합하는 리포좀에 의해서 세포로 전달된 물질이 그 세포가 분비하는 엑소좀에 효율적으로 탑재돼 주변세포로 전달되는 과정을 보여주는 모식도(좌).
이러한 엑소좀기반 세포간 약물전달이 실제로 종양 스페로이드 및 생체 내 종양모델에서 관찰된 결과들 (우).
KAIST’s Department of Bio and Brain Engineering Professor Ji-Ho Park and his team successfully developed a new highly efficacious anti-cancer nanotechnology by delivering anti-cancer drugs uniformly to an entire tumor. Their research results were published in Nano Letters online on March 31, 2015.
To treat inoperable tumors, anti-cancer medicine is commonly used. However, efficient drug delivery to tumor cells is often difficult, treating an entire tumor with drugs even more so.
Using the existing drug delivery systems, including nanotechnology, a drug can be delivered only to tumor cells near blood vessels, leaving cells at the heart of a tumor intact. Since most drugs are injected into the bloodstream, tumor recurrence post medication is frequent.
Therefore, the team used liposomes that can fuse to the cell membrane and enter the cell. Once inside liposomes the drug can travel into the bloodstream, enter tumor cells near blood vessels, where they are loaded to exosomes, which are naturally occurring nanoparticles in the body. Since exosomes can travel between cells, the drug can be delivered efficiently into inner cells of the tumor.
Exosomes, which are secreted by cells that exist in the tumor microenvironment, is known to have an important role in tumor progression and metastasis since they transfer biological materials between cells. The research team started the investigation recognizing the possibility of delivering the anti-cancer drug to the entire tumor using exosomes.
The team injected the light-sensitive anti-cancer drug using their new delivery technique into experimental mice. The researchers applied light to the tumor site to activate the anti-cancer treatment and analyzed a tissue sample. They observed the effects of the anti-cancer drug in the entire tumor tissue.
The team’s results establish a ground-breaking foothold in drug delivery technology development that can be tailored to specific diseases by understanding its microenvironment. The work paves the way to more effective drug delivery systems for many chronic diseases, including cancer tumors that were difficult to treat due to the inability to penetrate deep into the tissue.
The team is currently conducting experiments with other anti-cancer drugs, which are being developed by pharmaceutical companies, using their tumor-penetrating drug delivery nanotechnology, to identify its effects on malignant tumors, which were difficult to penetrate with existing technology.
Professor Park said, “This research is the first to apply biological nanoparticles, exosomes that are continuously secreted and can transfer materials to neighboring cells, to deliver drugs directly to the heart of tumor.”
Picture: Incorporation of hydrophilic and hydrophobic compounds into membrane vesicles by engineering the parental cells via synthetic liposomes.
