초고해상도 이미징과 NMR, 세포 및 원자 수준에서 약물 효과 규명

연구진은 초고해상도 현미경을 사용해 살아있는 세포 내에서 항암제 **수니티닙(sunitinib)**의 이동을 추적했으며, 그 결과 이 약물이 미토콘드리아, 리소좀, 소포체의 연쇄적 교란을 유발한다는 사실을 발견했다. 이 연구 결과는 Biophotonics Discovery에 게재되었다. 별도로, 고체 핵자기공명(NMR) 분광법이 제형화된 의약품의 원자 수준 구조를 결정하는 데 사용되고 있으며, 이는 제약 제형 설계의 지속적인 과제를 해결하는 데 기여하고 있다.

수니티닙은 신장암을 포함한 여러 암을 치료하는 데 사용된다. 이 약물의 치료 활성은 전통적으로 종양 성장을 촉진하는 효소를 억제하는 능력과 관련이 있는 것으로 알려져 왔다. 신시내티 대학교(University of Cincinnati) 연구진은 세포 생존율 검사와 **구조화 조명 현미경(SIM)**을 결합했다. SIM은 기존 광학 현미경으로는 선명하게 볼 수 없을 정도로 작은 구조를 관찰할 수 있는 초고해상도 이미징 기술이다. 수니티닙은 자연적으로 형광을 띠기 때문에 연구팀은 화학적 변형 없이 살아있는 세포 내에서 약물의 이동을 추적할 수 있었다. 연구진은 치료 후 세포 생존 여부에만 초점을 맞추는 대신, 약물이 세 가지 상호 연결된 세포 시스템에 어떤 영향을 미치는지 조사했다. 세 가지 시스템은 세포 물질을 재활용하는 리소좀, 에너지를 생성하는 미토콘드리아, 단백질 생산과 세포 신호 전달을 돕는 **소포체(ER)**이다.

연구팀은 먼저 수니티닙이 용량 의존적으로 세포 생존율을 감소시키며, 농도가 높을수록 세포 사멸이 점진적으로 증가한다는 사실을 확인했다. SIM 이미징 결과 약물이 주로 리소좀 내부에 농축되는 것으로 나타났으며, 정량 분석을 통해 미토콘드리아보다 리소좀과 훨씬 강한 연관성을 보이는 것이 확인되었다. 치료 후 정상적인 미토콘드리아 네트워크는 점점 더 단편화되어 길쭉한 구조가 짧고 분리된 조각으로 쪼개졌다. 리소좀의 수는 감소한 반면 남아있는 구조는 더 커지고 불규칙한 모양을 띠게 되었으며, 이는 약물 농도가 높아짐에 따라 리소좀 시스템 내 스트레스가 증가하고 있음을 시사한다. 치료를 받지 않은 세포에서 세포 전체로 뻗어 있는 연속 네트워크를 형성하던 소포체 네트워크는 점차 분리된 조각들로 붕괴되었다. 소포체 연결성에 대한 위상수학적 분석 결과, 소포체 조직의 명확한 농도 의존적 소실이 확인되었다.

이번 연구 결과는 수니티닙의 효과가 효소 억제를 넘어선다는 것을 시사한다. 이 약물은 여러 세포 시스템의 연쇄적 교란을 유발하며, 궁극적으로 세포 기능과 생존의 상실에 기여하는 것으로 보인다. 연구진은 생화학적 측정에만 의존하는 대신, 치료 분자가 살아있는 세포 내에서 어떻게 이동하고 세포 구조가 시간에 따라 어떻게 반응하는지 직접 시각화했다. 이 접근법은 광학 공학, 이미지 분석, 세포 생물학을 결합하여 세포소기관 구조와 연결성에 대한 정량적 측정을 제공하며, 기존 현미경으로는 볼 수 없는 상호작용을 밝혀냄으로써 현대 초고해상도 이미징이 약물 거동 연구를 어떻게 변화시킬 수 있는지 보여준다. 이 연구는 미시적 수준에서 약물 거동에 대한 상세한 관점을 제공하며, 약물 개발과 세포 공학에서 광학 이미징의 역할이 점점 더 커지고 있음을 강조한다.

별도의 연구 분야에서, 아이오와 주립대학교(Iowa State University)와 미국 에너지부의 에임스 국립연구소(Ames National Laboratory)에서 개발된 고체 NMR 분광법이 '제약 산업의 지속적인 과제', 즉 활성 의약 성분 투여를 위한 제형 설계를 해결하는 데 도움을 주고 있다. 한 실험에서 위스콘신-매디슨 대학교의 국립 자기공명 시설(National Magnetic Resonance Facility)에서 활성 및 비활성 성분을 모두 포함한 약물의 미세한 고체 시료를 강한 자기장에 대해 약 55도의 '매직 앵글'로 기울인 상태에서 초당 50,000회 회전시켰다. 결과 스펙트럼에서 피크의 위치는 고체 약물의 구조에 대한 단서를 제공하여 수소, 산소, 질소 원자의 위치를 파악하는 데 도움을 주었다. 고체 NMR 분광법은 불균일 촉매, 차세대 반도체, 제형화된 고체 의약품과 같은 물질의 원자 수준 구조를 결정하는 데 적용될 수 있다.

NMR 장비는 액체 질소와 액체 헬륨으로 냉각된 초전도 자석을 사용하여 시료에 강한 자기장을 가한다. 아이오와 주립대학교 연구실의 자석은 9.4 테슬라(Tesla) 등급이며, 플로리다주 탤러해시에 있는 국립 고자기장 연구소(National High Magnetic Field Laboratory)에는 35 테슬라 등급의 1,870만 달러 규모 장비가 있다. NMR 장비의 자기장은 원자핵을 정렬시키고, 무선 펄스가 원자핵의 정렬을 흩뜨리면 장비가 그 차이를 기록한다. 미국과학진흥협회(AAAS) 연례 회의에서 열린 패널 토론 요약에 따르면 NMR 도구는 '약물 설계, 지속 가능한 에너지 재료, 양자 시스템에 관한 현대 연구의 초석'이다.

미국 국립과학재단(NSF)이 지원하는 새로운 3년간 492,000달러 규모의 연구는 활성 의약 성분과 상용 의약품의 구조를 분석하여 NMR 데이터의 감도와 분해능을 개선하는 새로운 방법을 개발하고 있다. 대학원생과 학부생도 이 프로젝트에 참여하여 약물 시료 준비, NMR 실험 수행, 원자 구조의 컴퓨터 모델링을 배우게 된다. 미국 국립과학·공학·의학한림원(National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine)의 2024년 보고서는 미국이 NMR 기반 연구 분야에서 리더십을 회복할 수 있도록 최첨단 NMR 연구에 대한 지원 수준을 재구축해야 한다고 결론지었다. 이는 분해능을 높이고 수집되는 데이터를 개선하는 초고자기장을 생성하는 더 많은 장비가 필요하다는 것을 의미한다.