August 22,2018

의료 혁명 예고하는 나노기술

혈액 속 슈퍼박테리아 없애는 나노로봇 개발

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극미세 단위의 물질을 다루는 나노기술은 특정 산업 분야에 국한된 기술이 아니다. 생명공학기술이나 정보통신기술과는 달리 나노기술은 거의 모든 산업 영역에서 활용할 수 있다.

그런데 나노과학의 창시자로 일컬어지는 에릭 드렉슬러는 ‘창조의 엔진’이란 저서에서 나노기술의 활용이 기대되는 분야 중 하나로 의학을 꼽았다. 또한 나노기술 이론가인 로버트 프레이터스는 자신의 저서 ‘나노의학’을 통해 나노의학의 무한한 가능성을 제시하기도 했다.

최근 들어 그들의 예측대로 의료 분야의 혁신을 몰고 올 만한 새로운 나노기술들이 잇달아 개발되고 있어 주목을 끈다.

최근 들어 의료 분야의 혁신을 몰고 올 만한 새로운 나노기술들이 잇달아 개발되고 있어 주목을 끈다. ⓒ Public Domain

최근 들어 의료 분야의 혁신을 몰고 올 만한 새로운 나노기술들이 잇달아 개발되고 있어 주목을 끈다. ⓒ Public Domain

뇌종양의 한 형태인 다형성신경교아종이란 질병은 종양 내 출혈을 일으키기 쉬우므로 수술로써 적출이 곤란하며 방사선치료 및 화학요법에도 저항성이 많아 가장 치료하기 어려운 암 중 하나로 곱힌다. 그런데 최근 메사추세츠공과대학(MIT) 연구진이 이 질환을 치료할 수 있는 새로운 약물 전달 나노입자를 개발했다.

연구진은 트랜스페린이라 불리는 단백질로 리포솜을 코팅하면 건강한 뇌세포를 피하면서 종양 부위에 나노입자가 축적된다는 사실을 발견했다. 신경교아종 환자에게 투여되는 테모졸로마이드라는 화학요법 약물은 멍이 들거나 구역질을 일으키는 부작용이 있는데, 이 나노입자는 이런 부작용을 없앨 수 있다.

연구진은 테모졸로마이드를 리포솜 내부에 삽입하고 외부에는 브로모도메인 억제제라고 불리는 약물을 삽입했다. 이처럼 두 가지 약물을 탑재할 수 있는 이 나노입자는 혈액-뇌 장벽을 쉽게 넘어가서 종양세포와 직접 결합할 수 있다.

실제로 연구진은 쥐 실험을 통해 나노입자가 종양을 축소시키고 성장을 막는다는 것을 증명했다. 그러나 이 실험에서 사용된 브로모도메인 억제제는 반감기가 너무 짧아 사람에게 사용하기가 적합하지 않은데, 연구진은 다른 억제제를 임상시험 중인 것으로 알려졌다.

폐암 세포 파괴하는 나노입자 개발

폐암 세포의 약 80%를 파괴할 수 있는 나노입자도 개발됐다. 영국과 인도의 공동 연구진이 찻잎에서 추출한 물질로 만든 나노입자가 바로 그것이다. 찻잎 추출물에는 폴리페놀이나 비타민, 아미노산 등의 다양한 황산화제 물질이 포함되어 있다.

연구진은 찻잎 추출물과 황산카드뮴, 황산나트륨을 혼합한 용액을 배양하면 양자점이 생긴다는 사실을 알아냈다. 양자점이란 화학적 합성 공정을 통해 만드는 나노미터 크기의 반도체 결정체다. 찻잎 추출물로 만든 양자점을 폐암 세포에 적용한 결과, 양자점이 암세포의 나노 구멍으로 침투해 암세포의 80%까지 파괴한다는 사실이 밝혀졌다.

또한 찻잎 추출물로 만든 황화카드뮴 양자점은 암세포 바이오이미징에서 특이한 형광을 나타냈다. 이는 일반적인 황화카드뮴 나노입자와는 다른 특징으로서, 양자점이 새로운 암 치료제 개발에도 유용할 수 있다는 의미다. 양자점은 제조 과정이 복잡하고 비용이 많이 든다는 단점을 지닌다. 이에 따라 연구진은 양자점의 대량 생산법 개발을 다음 연구목표로 설정한 것으로 알려졌다.

시력 상실 위기에 처한 환자들의 눈에 삽입하는 인공보조장치 개발에 큰 도움을 줄 수 있는 새로운 나노기술도 나왔다. 중국 푸단대학 연구진이 이산화티탄 나노와이어에 금 나노입자를 코팅해 만든 새로운 광수용체가 그것이다.

망막색소변성증 같은 질환은 망막에 분포하는 광수용체의 기능 장애로 발생하는 망막변성질환으로서, 시신경과 관련된 망막 뉴런이 기능을 유지해도 시력 손상이나 실명을 초래할 수 있다. 현재 이 질환에 대한 근본적 치료법은 없으며, 손상된 광수용체를 포토다이오드 어레이로 대체하려는 노력이 진행되고 있다.

그런데 이런 장치들은 외부 전원공급장치와 마이크로 전자처리장치가 필요하다. 이런 장치들을 눈에 연결하는 것은 기술적으로 매우 어려울 뿐더러 환자에게 큰 손상을 줄 수 있다.

이번에 연구진이 이산화티타늄과 금으로 구성된 1차원 반도체 나노와이어 어레이는 기존 장치와는 달리 생물학적 광수용체와 구조적으로 매우 유사하다. 또한 안구 내에 케이블이나 전원공급장치를 필요로 하지 않는다는 장점을 지닌다.

연구진은 시력을 상실한 생쥐의 오른쪽 눈에 나노와이어 어레이를 설치해 퇴행성 망막과 연결시켰다. 그 결과 녹색 및 청색, 자외선을 노출시킬 때마다 생쥐의 망막 신경절 세포에서 전기신호가 발생했으며, 생쥐는 빛에 반응해 동공 확장이 개선된 것으로 나타났다. 이 연구는 환자의 망막 보조 장치를 위한 광전자 장치를 개발하는 데 큰 도움을 줄 있을 것으로 전망된다.

혈액 속에서 박테리아 및 독소 제거

나노의학의 궁극적 목표는 나노로봇이라고 할 수 있다. 미국 캘리포니아대학 연구진은 혈액 속을 돌아다니며 독소와 해로운 박테리아를 제거할 수 있는 나노로봇을 개발했다. 우선 연구진은 혈소판과 적혈구 멤브레인을 분리함으로써 하이브리드 코팅을 만들었다.

하이브리드 코팅은 나노로봇이 대표적인 슈퍼박테리아 중 하나인 MRSA 같은 병원체를 묶고 거기서 생성되는 독소의 흡수 및 중화하는 역할을 한다. 거기에다 연구진은 고주파 음파를 이용해 멤브레인을 융합시키고 마지막으로 금 나노와이어 위에 하이브리드 막을 코팅했다.

머리카락보다 약 25배 더 작은 이 나노로봇은 초음파에 반응해 혈액 속에서 초당 35마이크로미터까지 이동할 수 있다. 이 같은 빠른 이동성은 혈액 내의 표적과 효율적으로 혼합되어 해독 속도를 높인다.

연구진은 MRSA와 독소로 오염된 혈액 샘플에 나노로봇을 투입한 결과, 5분이 지나자 다른 샘플에 비해 박테리아와 독소가 3배 더 적어진다는 사실이 확인됐다고 밝혔다. 연구진의 최종 목표는 금 대신 생분해성 물질을 사용해 임무를 마친 뒤 혈액 속에서 자연적으로 소멸되는 나노로봇을 만드는 것으로 알려졌다.

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