고려대학교 화학과 김종승·우한영·곽경원 교수 연구팀이 빛을 쬐는 것 만으로 암세포 주변의 물을 산화시켜 암세포를 사멸시키는 새로운 광치료 기술을 개발했다. 이번 연구는 싱가포르 국립대학교 빈리우(Bin Liu) 교수, 성균관대학교 이진용 교수 연구팀과 함께 수행됐다.

 

이번 연구 성과는 화학 분야 국제학술지 ‘Journal of the American Chemical Society(JACS, IF=15.7)’ 온라인에 1월 28일 게재됐다.

 

 광역학치료는 빛을 이용해 활성산소종을 만들어 암세포를 죽이지만, 산소가 부족한 환경에서는 치료 효과가 크게 감소하는 문제가 있다. 이를 보완하기 위해 다양한 나노구조나 산소 전달체를 사용하는 방식이 제안됐지만, 구조가 복잡하고 제어가 어려웠다.

△ (윗줄 왼쪽부터) 고려대 화학과 나현지 석박사통합과정(제1저자),

서윤지(Yunjie Xu) 박사(교신저자), 곽경원 교수(교신저자), 우한영 교수(교신저자)

△ (아랫줄 왼쪽부터) 성균관대 화학과 이진용 교수(교신저자),

싱가포르 국립대 화학생명공학과 빈리우(Bin Liu) 교수(교신저자), 고려대 화학과 김종승 교수(교신저자)

 

*활성산소종(Reactive Oxygen Species, ROS,): 세포 내 산소 대사 과정에서 생성되는 반응성이 높은 산소 화학종으로, 과도하게 생성될 경우 세포 구조를 손상시키고 세포 사멸을 유도할 수 있다

 

 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 세포막에 안정적으로 삽입되는 단일분자 광 테라노스틱스 플랫폼(NDI-COE)을 개발했다. 이 물질은 암세포막에 자리 잡은 뒤 빛을 받으면 세포 주변의 물을 직접 산화해 활성산소를 생성하며, 외부 산소 공급 없이도 반응이 지속된다. 실제 실험에서도 저산소 환경과 정상 산소 환경에서 유사한 수준의 활성산소 생성이 확인됐다.

*테라노스틱스 (theranostics): 질병을 치료하는 기능과 치료 과정을 진단, 이미징 할 수 있는 통합형 의료 기술

 

 이렇게 생성된 활성산소는 암세포막 손상을 유도해, 염증 반응을 동반하는 파이롭토시스(Pyroptosis)를 효과적으로 활성화한다. 파이롭토시스는 세포막이 부풀어 오르며 파열되는 형태의 세포 사멸 경로이다.

 

 특히 이번 기술의 강점은 치료와 동시에 그 과정을 ‘눈으로 볼 수 있다’는 점이다. 연구팀이 개발한 NDI-COE는 세포막에 삽입되면 형광을 띄어, 암세포가 파괴되는 과정에서 형성되는 파이롭토틱 소낭의 방출을 실시간으로 관찰할 수 있다. 이는 치료와 진단 기능을 통합한 테라노스틱스 기술로서의 가능성을 보여준다.

*파이롭토틱 소낭(Pyroptotic vesicles): 파이롭토시스 과정에서 부풀어 오른 세포막 일부가 떨어져 나와 형성되는 작은 주머니 형태의 구조

 

 연구팀은 물 산화 능력이 없는 유사 물질과의 비교 실험을 통해, 이번 물질이 활성산소 생성량과 저산소 환경 안정성에서 현저히 우수함을 확인했다. 이는 해당 물질이 단순한 광감각제가 아닌, 암세포막에서 직접 작동하는 ‘분자 광전극’처럼 활용될 수 있음을 의미한다.

 

 고려대 김종승 교수는 “이번 연구는 암세포 주변의 물을 활용해 산소 의존성을 극복한 새로운 광치료 전략을 제시했다”라며, “치료와 이미징 기능이 단일분자 수준에서 결합된 기술로, 저산소 종양 치료는 물론 면역 반응 연구로도 확장 가능성이 크다”라고 말했다.

 

 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

 

△ [첨부] 설명 : 빛에 의해 활성화된 NDI-COE가 암세포막–물 계면에서 물 산화를 촉진해 활성산소종을 생성하고,

     파이롭토시스 및 소낭 방출 과정을 시각화하는 개념도.