가톨릭대학교(총장 최준규) 바이오메디컬화학공학과 나건·바이오로직스공학부 김경섭 교수 연구팀이 외부 전기 자극을 통해 항암제의 방출 시간과 용량을 정밀하게 제어할 수 있는 차세대 정밀 약물 전달 시스템인 ‘HTZ@D 하이드로겔’을 개발했다.
이번 연구는 고용량 항암제 투여로 인한 부작용을 최소화하는 ‘메트로노믹(Metronomic) 항암 치료’의 임상 적용 가능성을 획기적으로 높였다는 평가를 받는다.
일반적인 항암 치료는 단기간에 고용량 항암제를 투여해 강력한 효과를 꾀하지만, 이 과정에서 심각한 독성 부작용과 면역력 저하, 약물 저항성 등의 문제가 수반된다. 이에 대한 대안으로 저용량 항암제를 장기간 지속 투여하는 ‘메트로노믹 치료’가 주목받고 있으나, 기존의 경구 및 정맥 투여 방식으로는 체내 약물 농도를 일정하게 유지하기 어렵고 반복 투여에 따른 환자의 부담이 크다는 한계가 있었다.
특히 기존의 약물 전달 시스템은 온도, 빛, pH 등을 외부 자극으로 활용해왔으나, 이러한 방식들은 자극의 도달 범위가 제한적이거나 정밀한 제어가 불가능해 실제 임상 적용에 제약이 많았다.
나건⋅김경섭 교수 연구팀은 이러한 물리적 한계를 극복하기 위해 제어성과 반복성이 뛰어난 ‘전기 자극’에 주목했다. 연구팀은 인체에 안전한 다당류와 천연물, 인체 유래 금속이온을 결합한 복합 하이드로겔 시스템인 ‘HTZ@D’를 설계했으며, 약 3V 수준의 미세한 교류 전기 자극이 가해질 때만 탑재된 항암제(독소루비신)를 방출하는 데 성공했다.
연구 결과에 따르면, HTZ@D 시스템은 전기 자극이 없는 상태에서 14일간 약물 누출이 약 8% 수준에 불과할 정도로 우수한 안정성을 보였다. 반면, 전기 자극을 가할 경우 체내 항암제 농도를 치료에 최적화된 범위(10~100ng/mL)로 14일 이상 정밀하게 유지할 수 있음을 확인했다.
동물 실험에서도 본 시스템은 정상 세포에는 거의 영향을 주지 않으면서 암세포만을 선택적으로 사멸시켰다. 특히 종양 성장을 효과적으로 억제할 뿐만 아니라, 면역세포 활성을 높이고 종양 내 혈관 생성을 억제하는 복합적인 항암 효과를 나타내며 기존 항암 치료 대비 우수한 안전성과 효율성을 동시에 확보했다.
이번 연구 성과는 그 우수성을 인정받아 생체재료 분야 유명 국제학술지인 ‘Biomaterials (IF=12.9)’에 게재됐다.
연구 책임자인 가톨릭대 바이오메디컬화학공학과 나건 교수는 “이번 연구는 전기 자극을 활용해 약물 투여 시간과 용량을 정밀하게 조절함으로써 환자 맞춤형 정밀 의료를 실현할 수 있는 원천 플랫폼 기술을 제시했다는 데 큰 의미가 있다”며 “항암 치료 부작용을 줄여 환자의 삶의 질을 높이는 것은 물론, 반복 치료 부담을 덜어 의료 비용 절감에도 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
향후 연구팀은 기술 고도화를 통해 외부 장치 없이 작동하는 무선 전기 자극 시스템 기반의 ‘완전 이식형 치료 플랫폼’을 개발할 계획이다. 또한 장기 안전성 및 독성 검증을 거쳐 항암제뿐만 아니라 염증 질환, 조직 재생 등 다양한 난치성 질환 치료 분야로 적용 범위를 확대하고 상용화를 위한 기반 구축에 박차를 가할 예정이다.
전기 자극에 반응하여 항암제가 방출되는 하이드로겔(HTZ@D)의 작동 원리를 나타낸 것이다. 전기 자극이 가해질 때 하이드로겔 내부 결합 구조가 변화하며 약물이 방출되고, 자극이 없을 때는 방출이 억제되어 정밀한 제어가 가능하다. 이를 통해 체내 항암제 농도를 일정하게 유지하는 ‘메트로노믹 치료’를 구현할 수 있다. 또한, 종양 미세환경 내 면역 활성 증가 및 혈관 생성 억제를 통해 항암 효과를 극대화하는 기전을 보여준다.
개발된 하이드로겔의 물리적 특성과 전기 자극에 따른 약물 방출 제어 능력을 분석한 결과다. A) 항암제 독소루비신이 하이드로겔 내부에 균일하게 봉입되어 있음을 형광 신호로 분포를 통해 확인했다. B) LED 점등 실험을 통해 하이드로겔의 우수한 전기 전도성과 전기 자극 전달 효율을 시각적으로 입증했다. C) 전기 자극의 유무에 따라 약물 방출이 즉각적으로 조절되는 ‘온-오프 정밀 제어’가 가능함을 보여준다.
전기 자극 기반 약물 전달 시스템 디바이스의 실제 구현 방식과 체내 약물 농도 조절 효과를 나타낸 결과다. A) 3D 프린팅 기술로 제작된 전기 자극 장치 내에 HTZ@D 하이드로겔이 탑재된 구조를 보여주며, 백금 전극을 통해 전기 자극 전달이 가능하도록 설계됐다. B) 마우스 모델에 디바이스 이식 후 실험한 결과, 전기 자극 그룹은 혈장 내 독소루비신 농도가 지속적으로 유지됐으며, 특히 10분간 자극 시 유효 치료 범위 내에서 안정적인 농도를 형성했다. 반면 무자극 조건에서는 약물 농도가 빠르게 감소했다. 이는 전기 자극을 통해 약물 방출을 반복적으로 제어함으로써 메트로노믹 치료를 구현할 수 있음을 보여준다.
