76 … NICE, 제28권 제1호, 2010

신진연구자 컬럼

서론최근 의학분야에서는 질병의 질단(diagnosis) 및 치료

(therapy)를 동시에 수행할 수 있는 나노메디컬시스템

(nanomedical system)에 대한 연구가 전 세계적으로 활

발하게진행되고있다. 질병의진단분야에있어서는단순

한병변에대한분석보다는조기진단의신뢰도향상에대

한 필요성이 대두되고 있어, 나노기술이 바이오 및 의료

기술과 접목된 다양한 나노메디슨(nanomedicine) 분야

가개발되고있다. 질병의치료분야에서는현재까지개발

된 다양한 합성약물 및 바이오의약품(단백질, 핵산, 세포

등)을질병부위에선택적으로전달함으로써, 부작용을최

소화할수있는맞춤형전달시스템에대한기술개발이활

발하게 진행되고 있다. 그리고, 더 나아가서는 질병의 진

단과 치료, 또는 치료 후의 상태를 계속적으로 모니터링

할 수 있는 다기능성 나노메디컬 시스템에 대한 분야도

전세계적인관심의대상이되고있다. 이러한추세에맞

추어질병의진단및치료를동시에수행한다는의미에서

“테라그노시스[Theragnosis(Therapy+Diagnosis)]”라

는신조어까지출현하 다. 나노메디슨분야는의학, 유전

학, 분자생물학, 세포학, 약학 등의 전통적인 바이오메디

컬분야에화학, 물리및다양한공학적기술이결합된대

표적인 융합기술(convergence technology)분야이다. 이

러한 나노메디슨 분야의 핵심기술은 질병의 조기진단 및

표적지향적 치료를 가능하게 해주는 나노바이오소재 개

발 분야이다. 본 원고에서는 질병의 진단과 관련된 분자

상기능및질병의치료와관련된기능을수행할수있

는 나노바이오소재 연구분야를 필자의 연구를 중심으로

살펴보고자 한다. 사실, 나노메디컬소재에 대한 연구주제

및내용도매우광범위하여, 본원고에서모든내용을다

루지못하지못함을아쉽게생각한다.

다중모드 분자 상을 위한 나노메디컬 소재분자 상(Molecular Imaging)은 최근 급속히 발전

하고있는분야로, 세포내에서일어나는여러분자수준

의변화를 상화하는기법으로첨단 상기술과분자세

포생물학이 접목된 분야이며 의학, 유전학, 분자생물학,

테라그노시스용

나노메디컬 소재

개발

1996 서강대학교 화학공학과 공학사2002 KAIST 생명화학공학과 공학박사2003 Harvard Medical School 박사후 연구원2003 한국전자통신연구원(ETRI) 선임연구원2004 한국생명공학연구원(KRIBB) 선임연구원현 재 충남대학교 분석과학기술대학원 부교수

임 용 택충남대학교 분석과학기술대학원yongtaik@cnu.ac.kr

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 28, No. 1, 2010 … 77

임용택

세포학, 화학, 약학, 물리학, 의공학, 상의학, 핵의

학 등의 융합으로 발달하고 있다. 생체분자 상이

중요한 이유는 연구하고자 하는 생체 대상이 살아

있는 상태에서 세포 또는 분자 수준에서 일어나는

현상들을 상을 통하여 직접 확인할 수 있도록 해

주며 그러한 현상들을 정량화하여 분석할 수 있도

록 해준다는 것이다. 현재 임상적으로 사용되는 분

자 상 방법과 그 민감도를 향상시키기 위해서 연

구되고 있는 나노메디컬 소재는 [그림 1]과 같다.

분자 상방법은 X선, 초음파, 컴퓨터 단층촬

(CT), 자기공명 상(MRI), 핵의학 상(PET,

SPECT) 등이 있는데, 광학 상 방법은 예민도

(sensitivity)가 가장 좋아서, 분자생물학 분야에서

오래전부터 사용되어 왔고, 방사선을 사용하기 않

고빠르게 상화가가능한장점때문에, 임상에적

용할수있는시스템이활발히개발중에있다. 핵의

학 상의 경우 예민도도 높고 단층촬

상도 얻으나 해상력이 떨어지고 방사

능 사용에 따른 법적 제한을 받는다는

단점이 있다. 이에 비해 자기공명 상의

경우 해상도는 좋으나, 민감도가 떨어진

다는 단점이 있다. 최근에는 이들 상방

법을 결합(광학 상+핵의학 상, 광학

상+MR 상, 핵의학 상+MR 상

등)하여 서로의 단점을 보완하려는 연구

가활발하게진행중이다.

테라그노시스용 나노메디컬 소재 개발분자 상관련 나노바이오소재는 의료분야 중에서

질병의 진단분야와 관계가 깊다. 질병 치료를 위한

나노메디슨 기술은 기존의 항암제가 갖는 부작용을

최소화하면서, 환자를 완치하거나 또는 환자 삶의

질을 향상시키는 것을 목적으로 하고 있다. 이러한

개념을실현하기위해서는, 질병부위에만치료용약물

이전달되고그효과를발휘할수있도록고안된표적

지향적 약물전달체(targeted drug delivery system)

개발이 핵심기술이다. 즉 치료용 약물 및 바이오의

약품(drugs, DNA, siRNA, petides, proteins, cells

등)이특정질병부위에만선택적으로전달되도록하

는표적지향형리간드(antibody, aptamer, folic acid,

peptides 등)가 부착된 약물전달시스템(polymers,

liposomes, micells, inorganic NPs 등) 개발이 선행

되어야 한다. 그리고 미래의학에서 요구되는 테라그

노시스용 나노메디컬 소재는, 앞서서 언급했던 질병

진단을 위한 분자 상용 나노소재와 이러한 표적지

향적치료를위한전달시스템이융합된다기능성나

노구조체이다[그림2].

1) 세포기반나노메디컬소재: 면역세포분자 상을

위한나노바이오소재

테라그노시용 나노메디컬 소재의첫번째 예로, 항

암치료에사용되고있는면역세포를생체내에서추

적하는 분자 상기술과 관련된 나노바이오소재에

그림 1. 분자 상기법 및 나노메디컬소재.

그림 2. 분자 상 및 치료기능을 동시에 갖는 다기능성 나노메디컬소재 개념도.

78 … NICE, 제28권 제1호, 2010

신진연구자 컬럼

대하여 설명하고자 한다. 이 개념에서는 면역세포가

치료용 바이오의약품이 되며, 이러한 치료용 면역세

포를 추적하기 위해 사용되는 나노조 제가 분자

상용 나노바이오소재에 해당된다. 대표적인 항암면

역세포로는수지상세포(dendritic cell), T세포, 자연

살해세포(natural killer cell, NK cell)가 있다. 항암

세포치료를 위해 주입된 수지상세포는 가장 가까운

림프절로이동하여T 세포와NK 세포등항암면역

세포를활성화하여이세포들이암을파괴하도록하

는 항암치료제로서의 기능을 수행한다. 수지상세포

에 의한 항암치료는 환자의 말초혈액으로부터 수지

상세포의 전구세포를 분리하여 수지상세포로 분화

시킨후암항원으로활성화시켜다시환자에게투여

하는 방법이다[그림 3]. 현재 세계적으로 임상시험

이 진행되고 있는 수지상세포 암 치료제는 흑색암

27종, 신세포암 7종, 전립선암 5종 등 모두 70여 종

에이르는것으로추산되고있다. 그러나, 환자의상

태나 암의 종류에 따른 최적화된 투여경로, 투여량

그리고 투여횟수 및 시기 등 수지상세포의 활성화

요소가표준화되어있지않다. 따라서, 수지상세포가

림프절로 이동하는 과정의 추적 상법을 이용하여

수지상세포의 세포치료 과정을 모니터링하는 것이

중요하다. 이러한면역세포추적 상법을통해(1)

주입된후몸안에서면역세포의이동을 상화및,

정량할 수 있고 (2) 표적 조직에서 투여된 면역 세

포의수에비하여유지된세포의수를측정할수있

으며 (3) 이미징조 제의세포내전달기술의향상

을도와주며 (4) 표적지점에서다른종류의세포들

의 비교를 가능하게 하고 (5) 효과적인 세포치료를

위한새로운기술의개발에중요한기능을담당한다.

이상적인세포추적기술은 상화와정량화를동시

에 할 수 있는 다기능적이어야 하며, 민감도가 높아

야 하고, matrix effect가 나타나지 않으며, 오랜 시

간세포라벨링이되며, 독성이없고, 어떠한면역세

포든지높은효율과다양한표지가가능해야할필요

성이있다.

최근자기공명 상기법(MRI)을이용한연구에서

는 산화철 나노 입자를 표적에 접착시킨 줄기세포

이동, 세포 추적 등의 활발한 연구가 이루어지고 있

는데, 이는 해상도가 우수한 MRI로 세포를 추적

상할수있다는점과산화철나노입자MRI 조 제

들은이미임상사용허가를받은물질이라는점에서

세포 추적 상화에 실용화를 진행하고 있다. MRI

가 분자 상과 세포 상 분야에서 점점 그 중요성

이커지고있지만낮은민감도(10-5 mole/L)를보완

하기 위하여 민감도가 높은 다른 분자 상 기법과

결합하려는연구가진행되고있다. 광학 상은매우

낮은정도의 상신호도감지할특이도와예민도가

높아서 자기공명 상의 단점을 효과적으로 보완할

수있다. 특히, 근적외선 역(Near-infrared:NIR)에

서 특정하게 형광 특성을 나타내는 형광물질과 이미

징 시스템을 이용하는 것이 매우 효과적이다. 근적외

선형광물질파장의 역(700~1,300nm)은조직투

과력이좋고 상의배후잡신호를최소화할수있다.

본연구실에서는근적외선형광물질과산화철나노입

자를함유하는고분자나노입자를개발하여수지상세

포의생체내추적을위한이중모드이미징이가능하

도록하 다[그림4].

MRI/NIR 이중모드 분자 상용 고분자 입자는

근적외선 형광물질인 Indocyanin green (ICG)과

그림 3. 수지상세포 기반 항암치료 과정.

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 28, No. 1, 2010 … 79

임용택

산화철 나노 입자를 함유하는

PLGA 고분자 나노 입자로

제조하 다[그림 4]. ICG는

감광성 형광물질로 생체에 독

성이없고근적외선 역의빛

의흡수율이높아임상조 제

로써FDA 승인되어임상에서

사용중인 형광물질이다. 그리

고, 산화철나노입자역시이미

임상사용허가를받은물질이므

로 임상에 적용하기 쉬운 ICG

와 산화철 나노 입자를 이용하

다. 한편 생분해성 고분자인

PLGA(polylactic-co-glycolic

acid)는 인체 내에서의 무해성,

안정성 및 생체 친화성이 있고,

PLA(poly[lactic acid])와PGA

(poly[glycolic acid])의성분비

율에 따라 인체 내에서 분해되

는 속도가 좌우되는 특성이 있

으므로, 이고분자에약물이함

유 될 경우에는 약물이 방출되

는속도가조절될수있다는특

징을지니고있다.

앞서 언급했듯이, 치료용 면

역세포에는 수지상세포외에 T

cell, NK cell 등이있다. 이러한

여러 가지 세포를 동시에 분자

상화하기 위해서는 다중모드

나노조 제가필요하다. 최근에

본 연구실에서는 다양한 형광

특성을 가진 것으로 알려진 양

자점(quantum dots : QDs)과

MRI에서 다중모드가 가능한19F-기반자기공명특성을가지

는플로오린(fluorine)을동시에

그림 4. 이중모드(MRI/NIR) 나노조 제를 이용한 면역세포 분자 상기술.

그림 5. 면역세포의 다중분석을 위한 신개념 나노바이오소재.

80 … NICE, 제28권 제1호, 2010

신진연구자 컬럼

포함하는새로운개념의나노바이오소재를개발하

다[그림 5]. 이 개념은 서로 다른 자기공명 주파수를

갖는 4종류의플루오린과세가지형광특성을나타내

는QDs 물질을나노에멀젼형태로제조한것이다.

이 나노소재를 이용하여 수지상세포와 대식세포,

T 세포를효과적으로표지할수있었으며, 나노소재

가표지된면역세포를마우스의피하로주입하여광

학 상 장비와 MRI 장비를 이용하여 그 위치를 추

적할수있었다.

2) 바이오의약품전달시스템기반나노메디컬소재개발

최근 단백질 치료제, 핵산 치료제 및 세포 의약품

등의 바이오 의약품을 대상으로 맞춤형 약물전달기

술(drug delivery system, DDS)을이용하여바이오

의약품의 방출, 흡수를 제어하거나 체내의 특수 부

위에 선택적으로 전달시켜 약물의 부작용을 획기적

으로줄이고치료효능및효과를극대화시킬수있

는 맞춤형 DDS 플랫폼 기술개발에 대한 연구가 활

발하게 진행 중이다. 이 기술은 바이의약품의 생체

내 불안전성, 낮은 생체 표적성 및 낮은 치료 효과

등의근원적문제를근원적으로해결하기위하여나

노/바이오 융·복합 원천기술을 기반으로 단백질/

핵산/세포 의약품 맞춤형 약물전달시스템을 개발하

는 것이다. 특히, 미래 제약산업의 패러다임이 저분

자량합성신약개발에서분자수준치료가가능한바

이오의약품개발로전환하고있다는점에서이러한

기술개발의필요성이매우시급한실정이다.

본 연구실에서는 생체친화성이 증빙된 생체소재와

질병의진단을위한나노프로브및치료용물질이융

합된다기능성나노플랫폼기술을개발하고있다. 개

발하고자 하는 나노바이오소재에 대한 연구방향은

[그림6]에서보듯이크게2가지이다. 첫번째는치료

용 약물이나 바이오의약품, 분자 상용 이미징 프로

브 등이 부착된 고분자 나노구조체이다(좌). 이러한

고분자 나노구조체는 생체 내 조건에서 쉽게 용해될

수있는형태로제조된다. 두번째형태는친수성/소

수성이적절한비율로결합되어나노구조체로서자기

조립성질에의해서나노입자를이루는형태(우)이다.

3) 무기나노입자기반테라그노시스용나노메디컬소재

현재의 항암제 약물치료나 방사선 치료에서 오는

많은 부작용을 줄이고, 특히, 정상세포는 향을 주

지않고암세포만을선별적으로치료하기위한시도

가나노기술분야에서활발하게진행되고있다. 특히

생체 투과도가 높은 근적외선 파장 역의 빛을 이

용하여 암을 치료하는 신기술이 최근에 개발되었다.

생체와친화도가우수한것으로알려진금나노입자

의 구조를 조절하면, 근적외선 역(700~1,200nm)

에서빛을강하게흡수하도록할수있다. 이러한금

나노입자가 암세포 표면에만 특이적으로 결합한 후

그림 6. 의약품 전달용 고분자 나노구조체.

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 28, No. 1, 2010 … 81

임용택

에, 근적외선빛을조사해주면, 암세포만을특정하게

파괴시킬 수 있는 새로운 기법인데[그림 7], 기존의

화학요법에서사용되는항암제의양을줄이고, 방사선

치료에서오는부작용을줄이기위한대안으로, 인체

에무해한근적외선광을이용하기때문에임상에적

용된다면그대체효과는매우클것으로확신한다.

본연구자는자성특성을갖는산화철(iron oxide) 나

노입자를함유하면서근적외선(NIR:near-infrared)

역에서빛을강하게흡수하거나산란하는특성을가

진할로우형태(hollow-type)의금나노케이지입자

를 제조하여, 암의 진단 및 치료분야에 활용하 다.

자성입자를 함유하는 금 나노쉘 나노구조체는 빛을

근적외선 역에서빛을강하게흡수하는특성을갖

고있기때문에, 808nm의레이져를조사해주면, 빛

을 강하게 흡수한 골드 나노구조체는 그 에너지를

열에너지 형태로 발산하게 되고, 이러한 열에너지에

의해서 특정 암세포만이 선택적으로 사멸되는 원리

를이용한것이다. 또한, MRI 조 제로사용되고있

는Gadolinium 계통의T1 조 제를골드나노쉘입

자에 코팅함으로써, 질병의 진단 및 치료 기능을 동

시에 수행할 수 있는 다기능성 나노입자를 제조한

후, 암의진단및치료분야에활용하기도하 다.

결론현재 화학합성 의약품을 위한 약물전달시스템 및

바이오의약품분야의신약개발에대한연구및분자

상분야에 활용되는 대부분의 나노조 제 및 분자

상장비 개발이 미국이나 유럽 선진국을 중심으로

개발되고 있다. 이렇게 질병의 진단 및 치료분야에

대한원천기술이선진국위주로이미선점된시점에

서나노기술기반융합형기술기반으로개발되는조

기진단용 나노바이오소재 및 의약품 맞춤형 약물전

달시스템 개발은 신약개발과 동일한 기술적/경제적

/산업적 파급효과가 나타나는 원천기술을 개발하는

것으로 나노/바이오 융합기술에 강점이 있는 국내

연구환경에매우적합하며시급히개발해야하는기

술개발 분야이다. 하지만, 나노메디컬 소재 개발에

있어서 가장 중요한 문제 중의 하나는 개발하는 소

재의 독성문제이다. 실험실 단위의 연구에서는 독특

한 물리화학적 특성(광학, 자성 등)으로 인하여, 바

이오또는의료분야에서유용하게활용될수있다는

기대로 활발한 연구가 시도되었던 나노소재들이 많

은 경우, 이러한 독성문제로 인해 실제 인체적용에

는그한계를경험한소재들이많이있다. 최근미국

국립암센터를 중심으로 카본나노튜브, 금속나노입

자, 반도성나노입자등에대한독성문제분석및그

표준화에대한작업을진행하는것도이러한흐름을

반 해주고있다. 이런점을고려하면, 실제로바이

오 및 의료분야에서 필요로 하는 기능을 가진 소재

를 설계하고 제조하는 과정에서, 그 특성이 입증된

생체친화성 소재를 활용하는 기법이 실용화 관점에

서는더선호되는방법일수있다.

그림 7. 진단과 치료가 동시에 가능한 무기입자기반 나노구조체.