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  • 무선유도 약물전달을 위한 나노와이어 임플란트등록일 : 2015/06/24
  • 나노와이어를 무선으로 조절하는 임플란트형 약물전달 시스템이 한 연구팀에 의해 개발되었다.

    나노와이어는 개별 장치에 의해 형성된 전자기장(electromagnetic field)에 반응하며, 이를 통해 미리 탑재된 약물의 방출을 조절하는데 활용할 수 있다. 이 시스템은 다른 임플란트형 기기에서는 감염과 합병증을 야기할 수 있는 튜브와 와이어를 필요로 하지 않는다고, 퍼듀대학 마비 연구센터(Center for Paralysis Research)의 디렉터이자 응용 신경과학 교수인 Richard Borgens는 소개하였다.

    이 방식은 손상을 입은 지점에 직접적으로 약물을 전달할 수 있기 때문에, 의료용으로 널리 활용될 가능성이 있다고 Borgens는 소개하였다. 본 기술은 아직 실험의 초기 단계이지만, 조만간 척수 손상, 궤양, 종양 및 심부 골 손상에 약물을 직접적으로 전달하는데 사용될 수 있으며, 동시에 스테로이드 혹은 화학요법을 이용한 치료에 의한 심각한 부작용을 피하는 데에도 도움이 될 것이라고 연구팀은 기대하고 있다.

    연구팀은 압착 손상을 입은 실험용 쥐에 이 약물전달 시스템을 이용하여 척수에 적용하고자 하였으며, 코르티코스테로이드인 덱사메타손(corticosteroid dexamethasone)을 사용하였다. 본 연구는 중추 신경계(central nervous system)에서 염증 및 반흔의 형성에 대한 분자 마커(molecular marker)를 측정하였으며, 치료 1주일 후에 감소된 것을 확인하였다. 본 연구결과는 Journal of Controlled Release지에 게재될 예정이며, 현재 온라인으로 먼저 확인해 볼 수 있다("Remote-controlled eradication of astrogliosis in spinal cord injury via electromagnetically-induced dexamethasone release from “smart” nanowires").

    나노와이어는 전자기장에 반응하는 전도성 고분자 물질인 폴리피롤(polypyrrole)로 만들어졌다. Borgens와 본 프로젝트에 참가한 마비 연구소의 박사후 연구원인 Wen Gao는, 얇은 금 베이스에 수직으로 나노와이어를 성장시켰으며 마치 카펫의 작은 섬유와 유사하였다. 하지만 그 크기는 인간 세포보다 수 백 배 작은 것이다. 이 나노와이어에 약물을 운반시키는데, 적절한 전자기장을 부가하면 나노와이어는 소량의 약물을 방출하게 된다. 이 과정은 스위치를 다루듯이 마음대로 조절할 수 있으며, 스위치 대신에 전자기장을 이용하게 된다.

    연구팀은 나노와이어 카펫 일부를 액적(water droplet) 상에 포획하여 운반하였으며, 액적은 나노와이어를 손상 부위에 전달하는 역할을 한다. 나노와이어 패치는 표면장력을 이용해 손상 부위에 부착된다.

    전자기장의 크기 및 파형을 적절히 조절해야 최적의 약물 방출 효과를 얻을 수 있으며, 약물을 방출하는 정교한 메커니즘은 아직 충분히 해석되지 못하고 있다. 연구팀은 현재 방출 프로세스를 계속 연구하고 있다.

    전기장은 나노물질 및 약물분자 사이의 상호작용에 영향을 미치는 것 같다고 Borgens는 밝혔다. 연구팀은 전하효과 및 고분자의 형태변화에 조합을 통해 약물의 저장과 방출이 가능한 것으로 생각하고 있다. 이 과정은 가역적이므로, 일단 전자기장이 제거되면 고분자는 초기 구조로 복귀함으로써 약물 분자를 구조 내에 가두게 된다.

    각기 다른 약물은 방출을 위해 각각의 적절한 전자기장을 필요로 하다고 연구팀은 밝혔다.

    본 연구는 Borgens 및 Gao가 이전에 한 연구를 기반으로 하여 수행되었다. Gao는 우선 폴리피롤을 수직적으로 기다랗게 성장시키는 방법을 찾아야만 했으며, 그래야만 다량의 약물을 포함함으로써 잠재적인 치료 기간을 연장할 수 있기 때문이다. 연구팀은 덱사메타손의 방출을 원하는 대로 조절할 수 있음을 보여주었다. 본 연구결과는 "Action at a Distance: Functional Drug Delivery Using Electromagnetic-Field-Responsive Polypyrrole Nanowires”라는 제목으로 Langmuir지에 게재되었다.

    본 연구를 위해, 전자기장 자극 시스템을 설계하고 구축한 John Cirillo, 이전에 퍼듀대학 마비 연구센터 교수였던 Youngnam Cho 및 동 연구소의 연구 조교수인 Jianming Li도 참여하였다.

    가장 최근의 연구에서, 연구팀은 GFAP(Glial Fibrillary Acidic Protein)가 형광을 띄는 유전자조작 실험용 쥐를 이용하였다. GFAP는 중추 신경계 손상 시 높은 수치로 나타나는 성상세포에서 발현된다. 성상세포(astrocyte)는 염증과정의 일부이며 반흔조직(scar tissue) 형성에 관여한다.

    덱사메타손을 탑재한 1∼2mm의 나노와이어 패치를 수술로 노출시킨 척수 병소에 적용하였다. 이후 병소를 봉합하고 전자기장을 1주일 동안 매일 2시간씩 조사하였다. 1주일이 지난 후, 실험용 쥐의 GFAP 신호가 대조군에 비해 약화되었다. 일부 경우에서는 GFAP 신호가 검출되지 않기도 하였다.

    성상세포의 감소가 척수의 치유 혹은 기능 회복에 상당한 영향을 미치는지에 대해서는 아직 연구되지 않았다. 게다가, 약물의 농도도 치료 기간 중 알려지지 않았는데, 이는 검출할 수 있는 한도 보다 농도가 낮았기 때문이다.

    이 기법은 매우 소량의 약물을 효과적으로 원하는 곳에 적용할 수 있다는 장점이 있다. 손상 부위에서 전신으로 약물이 확산되면, 검출할 수 없는 정도로 혈류에서의 농도가 낮아진다고 연구팀은 밝혔다.

    폴리피롤은 불활성(inert)이며 생체친화적인 물질이지만, 연구팀은 치료기간이 끝난 후에 생분해될 수 있는 형태로 개조하는 연구를 진행하고 있다. 또한 약물전달 장치가 더 심부 손상에도 적용될 수 있도록 연구하고 있다. 현재의 시스템은 적용범위가 피하 3cm까지만 적용할 수 있다.

    그림> 주사전자현미경으로 촬영한 폴리피롤 나노와이어의 영상. 퍼듀대학 연구팀은 나노와이어를 이용한 새로운 임플란트형 약물전달 시스템을 개발하였으며, 약물 방출을 위해 무선으로 조절가능하다.

  • 키워드 : 나노와이어, 약물전달, 전자기장
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑