초음파 활성화 기포, 암 약물 전달에 유망성 입증

두 건의 새로운 연구에서 연구자들은 초음파로 활성화되는 기포를 이용해 암 약물 전달을 개선하는 기술을 입증했다. 듀크대학(Duke University)의 공학자들은 상대적으로 큰 암 약물이 종양 세포에 들어가 자멸하도록 돕는 미세기포와 초음파를 활용하는 'SonoPIN'이라는 기술을 개발했으며, 케이스웨스턴리저브대학(Case Western Reserve University)의 연구자들은 초음파 활성화 나노기포를 사용해 고형 종양을 치료로부터 보호하는 딱딱한 세포외 기질을 분해했다.

듀크대학의 이 기술은 '소노포레이션 지원 정밀 세포 내 나노전달(Sonoporation-assisted Precise Intracellular Nanodelivery)'의 줄임말인 SonoPIN으로, '약물화 불가능(undruggable)' 단백질을 분해하고 암 치료에서 약물 내성을 극복하는 데 큰 가능성을 보여준 단백질 분해 표적 키메라(PROTAC, proteolysis-targeting chimera) 계열 치료제를 전달하도록 설계되었다. PROTAC은 특정 표적 단백질에 결합해 E3 유비퀴틴 연결효소(E3 ubiquitin ligase)라는 효소를 모집하며, 이 효소는 표적 단백질에 유비퀴틴을 부착해 몸의 자연적인 청소 시스템에 의해 분해되도록 표시한다. 암 세포에서 PROTAC은 BRD4라는 단백질을 표적으로 분해하는 데 사용되어 왔으며, 이는 암 세포의 빠른 증식과 생존 능력을 차단한다. 그러나 PROTAC 분자는 너무 커서 스스로 세포 안으로 들어갈 수 없다.

이를 극복하기 위해 연구자들은 암 세포의 세포막에 있는 특정 생화학적 수용체에 결합하도록 설계된 합성 핵산 가닥을 미세기포에 장착했다. 초음파로 강하게 자극하면 기포가 빠르게 붕괴하면서 소노포레이션(sonoporation)이라는 현상이 발생했으며, 이는 세포막에 PROTAC이 들어갈 수 있을 만큼 큰 나노 크기의 일시적인 구멍을 만든다. 세포막은 수 분 내에 자연적으로 치유된다. 1분간 초음파에 노출된 후, SonoPIN으로 처리된 세포는 기존 PROTAC 전달 방법으로 처리된 세포보다 7배 더 밝게 빛났으며, 이는 훨씬 더 많은 PROTAC을 흡수했음을 나타낸다. 이 연구는 3월 13일 미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 온라인으로 게재되었다.

케이스웨스턴리저브대학의 별도 연구에서 연구자들은 불활성 기체인 퍼플루오로프로판(perfluoropropane)으로 채워진 나노기포를 유방암 모델에 주입하고 초음파로 기포를 '흔들어' 세포를 파괴하지 않으면서 종양의 딱딱한 구조를 분해했다. ACS Nano에 발표된 결과에 따르면 종양은 더 부드럽고 균질해졌으며, 면역 세포와 나노입자가 더 쉽게 침투할 수 있게 되었다. 나노기포 치료는 또한 종양 내에 이미 존재하는 면역 세포를 활성화하여 위험 신호를 분비하고 더 많은 면역 세포를 종양 부위로 모집하게 했다. 암을 표적으로 하는 킬러 T세포(killer T-cells)는 치료받지 않은 다른 종양도 찾아냈다.

나노기포 치료는 종양을 최소 5일 동안 더 부드럽게 유지한 반면, 치료하지 않은 종양은 더 딱딱해지고 치료하기 어려워졌다. 이후 T세포 활성을 증가시키는 RNA를 포함한 지질나노입자를 주입하자, 치료제는 주입 부위에 머무르지 않고 종양 전체로 퍼졌다. 이 나노기포는 이미 Visano Theranostics에 의해 전립선암 검출용으로 상용화되고 있으며, 사용된 초음파는 FDA 승인을 받았고 시중에서 구입할 수 있다. 임상시험용 신약(IND, Investigational New Drug) 신청서가 향후 18개월 내에 FDA에 제출될 예정이며, 치료 용도가 이 신청에 편승할 수 있어 2년 내 임상시험이 가능해질 수 있다.