연구성과

화학 김원종 교수팀, 염증은 ‘콕’ 찍어 캐내고, 약물은 ‘딱’ 맞춰 전달한다

2021-08-10 262

[류머티즘 관절염 복합치료를 위한 일산화질소 포집 및 감응성 약물방출 하이브리드 하이드로젤 개발]

아침이면 관절이 뻣뻣하거나 아프면서 열이 나고 붓는 경험이 있었는가? 손과 손목, 발과 발목처럼 여러 관절 부위에서 발생할 수 있는 만성 염증성 관절 질환인 류머티즘 관절염은 아직까지 발병 원인이 확실히 밝혀지지 않았다. 그만큼 염증을 완전히 제거하는 치료제를 찾기는 어렵다. 이에 POSTECH 연구팀이 염증은 콕 집어 없애고, 약물은 염증 부위에 정확하게 전달하는 치료법을 내놓았다.

화학과 김원종 교수, 통합과정 김태정씨 연구팀은 ㈜옴니아메드와 공동연구를 통해 류머티즘 관절염증이 있는 부위에 주사기로 주입하면 주입과 동시에 염증을 일으키는 일산화질소와 반응하여 국소적으로 부작용 없이 일산화질소를 제거하고, 치료 약물은 전달하는 하이브리드젤을 개발했다. 이 연구성과는 재료 분야 세계적인 학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)에 게재됐으며, 표지(inside front cover) 논문으로도 선정됐다.

류머티즘 관절염을 포함한 다양한 염증 질환에서 과발현된 일산화질소는 통증을 동반한 염증을 일으키고, 염증성 면역세포를 비정상적으로 활성화해 증상을 더욱 악화시킨다. 염증을 없애기 위해서는 과발현된 일산화질소를 선택적으로 포집하는 것이 중요한데, 지금까지 개발된 일산화질소 포집 하이드로젤은 국소 부위에 직접 주사할 수 없거나, 주사가 가능하더라도 다른 부위로 쉽게 빠져나가기 때문에 부작용 없이 일산화질소를 제거하는 데 한계가 있다.

특히, 정상 농도 범위의 일산화질소는 생체 내에서 중요한 역할을 하기 때문에 주사 부위가 아닌 인체의 전신이나 다른 부위에서까지 일산화질소를 제거할 경우 오히려 부작용을 일으킬 수 있다.

연구팀은 염증 부위에 손쉽게 주사할 수 있고, 국소 부위에서 오랫동안 지속하면서도 염증 정도에 따라 항염증제를 선택적으로 조절할 수 있는 하이드로젤 포집체를 설계했다. 먼저, 주사기를 이용해 직접 주입할 수 있도록 액체 형태로 제작하고, 항염증 약물을 담지 할 수 있는 고분자 자가조립체를 가교시켰다.

이렇게 제작된 하이드로젤은 환부에 주입 시 즉시 하이드로젤로 변환하여 표적 부위에 과발현된 일산화질소를 포집하여 제거한다. 또한, 나노미터 사이즈의 자가조립체를 포함한 하이드로젤은 외부의 압력에 의해 붕괴되더라도 자가치유되어 관절 부위의 점성 보충에 도움이 될 수 있다.

연구팀은 세포 및 소동물실험을 통해 하이브리드 하이드로젤이 염증 부위에서 비정상적으로 높은 일산화질소를 포집하고, 이후 가수분해되어 농도에 따라 약물을 전달하는 것을 확인했다. 뿐만 아니라, 항염증제인 덱사메타손을 이 하이드로젤에 담아 류머티즘 관절염 모델에 주사했을 때 염증 증상이 크게 완화됨을 확인했다.

김원종 교수는 “이번에 개발된 하이드로젤은 류마티스 등의 자가면역질환에서 염증반응을 일으키는 주요 물질인 일산화질소가 있으면 이에 반응하여 약물을 방출하고, 일산화질소를 제거하여 질병을 치료하는 획기적인 물질이다”며, “이 하이드로젤 포집 시스템은 다양한 염증성 질환에 간단한 공정으로 적용할 수 있으므로 현재 시판되거나 임상 시험 중인 치료법에 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 미래소재디스커버리사업, ICT명품인재양성사업, 기초연구실 사업의 지원 그리고 ㈜옴니아메드와 POSTECH의 산학과제로 수행됐다.