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아마도 과학에 대해 조금이라도 관심이 있는 사람이라면, 나노(nano) 기술에 대해서는 들어보았을 것이고, 나노기술에 의해 향후 미래사회가 엄청나게 바뀔 것이라는 전망을 많이 보았을 것입니다.  그 중에서도 특히 의학분야에 적용되고, 이에 대한 적용기술이 상용화되는 시점 정도에는 현재의 의학기술에 있어 혁명적인 변화를 가져올 것이라는 이야기까지 나옵니다.  도대체 나노기술이 어떻게 의학의 판도를 바꿔놓을 수 있는 것일까요?   오늘은 나노의학(nano-medicine)의 적용분야 중에서 약물전달 분야에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

나노의학 전반에 대한 글은 이전 포스팅을 참고하시기 바랍니다.  아래 링크를 따라가시면 보실 수 있습니다.

2008/12/30 - [수술공학/의공학] - 나노가 뭐길래 의학 혁명을 운운하나? (1)


나노물질을 이용한 약물전달 기술

나노물질을 이용한 약물전달 기술은 현재 의약학 분야에서 가장 실용화 가능성이 높은 부분으로 꼽힙니다.  전통적으로 약물은 먹어서 소장에서 흡수되거나, 정맥 주사를 하는 방식으로 투여가 되는데, 앞으로 나노물질이나 나노파티클을 이용해서 피부나, 위, 눈이나 뇌에 전달이 될 수 있는 방법들이 훨씬 쉽게 개발될 것으로 예측하고 있습니다.  

현재 약물전달에 있어 가장 큰 이슈는 많은 신약 물질들이 물에 잘 녹지 않고, 또한 전통적인 복용이나 정맥주사를 통한 전달을 할 때 분자의 크기나 불안정성 등에 의한 문제점들을 가지고 있다는 점 입니다.  이러한 약물전달의 문제를 해결하기 위해서는 다양한 약물의 방출기술(releasing technology)과 표적기술(targeting technology)이 필요합니다.  현재 약물전달과 관련하여 개발되고 있는 나노파티클로는 코어쉘 나노파티클이나 나노쉘, DNA 나노파티클, 풀러린, 금 나노파티클, 산화철과 같은 나노마그넷, 리피드 나노컨테이너, 리포좀, 펩타이드, 백금 나노파티클, PLLA(Poly L-lactic acid) 나노파이버 등 다양합니다. 

이러한 나노물질들은 공통적으로 표면적이 크고, 작은 크기로 인해 유효성은 높지만 독성은 낮은 일반적인 특성을 가집니다.  그리고, 전반적으로 물에 더 잘 녹고, 흡수도 더 잘됩니다.  또한, 적절한 분자 캐리어에 담겨서 전달될 경우 위산이나 효소 등에 의해 약물이 분해되지 않고 목적 장기에 잘 도달할 수 있습니다.  이렇게 원하는 곳에만 적절하게 약물이 전달될 수 있으면, 전체적인 부작용도 줄일 수 있습니다.  

예를 들어, 수백 나노 정도의 직경을 가진 분말은 쉽게 흡입할 수가 있기 때문에 폐를 통해서 효과적인 약물전달이 될 수 있습니다.  이런 측면에서 특히 호흡기 관련 치료 약물에 나노파티클의 유용성이 매우 큽니다.  이러한 가설을 증명하기 위해 이미 조금씩 다른 크기의 에어로졸 전달 시스템이 개발되어, 여러 약물을 이용한 임상시험이 진행될 예정입니다. 

복용하는 약물의 경우에는 물에 녹는지 여부와 반감기, 그리고 적절하게 방출이 되도록 하는 기술이 중요합니다.  이러한 복용특성이 좋은 약물의 개발은 새로운 신약후보물질의 개발 만큼이나 중요합니다.  특히, 하루에 한 번 또는 며칠에 한 번 먹어도 똑같은 약효를 낼 수 있도록 하는 방출기술의 개발은 만성질환자들의 약물 순응성을 높이는데 큰 도움이 될 것입니다.  예를 들어 Nanotherapeutics라는 회사에서는 나노파티클에 기반을 둔 펩타이드/단백질 기반의 거대분자 약물을 복용할 수 있는 기술을 개발했습니다.  이 기술의 의미는 매우 큰데요, 펩타이드나 단백질처럼 큰 분자를 복용하면 약이 우리 몸의 혈관 속으로 흡수되기 전에 모두 파괴(소화)되어 버립니다.  인슐린을 아직도 먹는 약으로 만들지 못하고 주사약으로 주사해야 하는 이유도 여기에 있습니다. 

주사 약제를 개발할 때에도 나노파티클 현탁액 기술이 상당한 장점이 있습니다.  파티클 크기를 쉽게 조절할 수 있기 때문에, 비교적 고른 효과를 기대할 수 있으며 효율도 높아서 전반적인 전신부작용의 위험을 줄일 수 있습니다.  특히 특정 조직이나 세포 등을 표적화하는 기술과의 결합을 통해 강력한 선택적 항암제의 개발도 기대됩니다.  비교적 나노파티클과 종양세포에 표적이 되는 항체와의 결합이 쉽기 때문에, 나노쉘이 종양에 들어갔을 때 적외선을 이용하여 종양세포만 과열시켜 파괴하거나, 나노마그넷을 이용하여 외부에서의 자장으로 파괴하는 등의 기술이 연구 중에 있습니다.

나노튜브 기술은 피부를 통한 약물전달에 큰 도움이 될 것으로 판단됩니다.  나노 단위의 작은 바늘을 만들고, 여기에 약물을 전달하는 것인데, 이런 나노튜브/나노바늘 기술은 앞으로 활용가능성이 무궁무진합니다.  이렇게 작은 바늘은 사실 거의 통증이 없이 몸에 삽입될 수 있고, 경우에 따라서는 특정세포에만(?) 약물을 주입할 수도 있을 것입니다. 


미래에 나노물질이 의학에 미칠 영향은 매우 큽니다.  그 중에서도 약물전달 분야는 가장 빨리 상용화가 될 수 있는 분야이기도 합니다.  다양한 약물전달 기술이 개발되어 앞으로 좋은 약을 부작용이 훨씬 적으면서도 효과적으로 치료할 수 있는 날이 오기를 기대합니다.


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WRITTEN BY
하이컨셉
미래는 하이컨셉, 하이터치의 세계라고 합니다. 너무 메마르고 딱딱한 이야기보다는 글로벌 시대에 어울리는 세계 각국의 이야기, 그리고 의학과 과학을 포함한 미래에 대한 이야기의 세계로 여러분을 초대합니다.

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아마도 과학에 대해 조금이라도 관심이 있는 사람이라면, 나노(nano) 기술에 대해서는 들어보았을 것이고, 나노기술에 의해 향후 미래사회가 엄청나게 바뀔 것이라는 전망을 많이 보았을 것입니다.  그 중에서도 특히 의학분야에 적용되고, 이에 대한 적용기술이 상용화되는 시점 정도에는 현재의 의학기술에 있어 혁명적인 변화를 가져올 것이라는 이야기까지 나옵니다.  도대체 나노기술이 어떻게 의학의 판도를 바꿔놓을 수 있는 것일까요?   오늘부터 몇 차례 정도 나노의학(Nano-medicine)에 대한 글을 써 볼까 합니다. 

현재 나노기술이 의학에 영향을 미칠 수 있는 분야를 대략 아래의 12가지 정도로 분류합니다.  사실 거의 의학의 전분야에 관계가 있다고 말할 수 있습니다만, 언제나 생각을 정리하기에는 전체적인 그림을 그리는 것이 중요하기 때문에 이러한 분류는 나노의학을 이해하는데 큰 도움이 됩니다.

 
• 신약의 발견 (Drug discovery)     • 약물전달 (Drug delivery)   • 진단(Diagnostics)
• 의학영상 (Imaging)                  • 임플란트 (Implants)         • 활성화 임플란트 (Active implants)
• 조직공학 (Tissue engineering)   • 수술 (Surgery)               • 미용성형 (Cosmetics)
• 음식 (Food)                           • 유전학 (Genomics)          • 단백질학 (Proteomics
)


나노크기를 느낍시다.



나노, 나노 하는데 나노의 크기는 어느 정도일까요?  수치적으로는 10의 -9제곱인데 이게 어느정도 크기 인지 감을 먼저 잡아야 될 것 같습니다.  의학에서 중요한 것들의 크기를 설명하면, 우리 몸의 머리카락의 굵기가 대략 100 μm 정도가 됩니다.  그리고, 세포는 크기의 차이가 좀 있는데 대부분 직경이 2 – 10 μm 정도가 됩니다.  바이러스의 크기가 보통 50-100 nm  정도이고, 우리가 몸을 구성하는 단백질 분자의 크기가 2 – 8 nm, DNA 분자가 2 nm 입니다.  원자는 0.1 nm 정도로 알려져 있습니다.

여기서 또 한가지 중요한 것이 우리가 물건을 보는 가시광선의 파장이 400 nm ~ 700 nm 정도라는 것입니다.  눈으로 무엇인가를 보기 위해서 현미경으로 확대를 하더라도, 빛의 특성 자체가 이보다 훨씬 크기 때문에,  이런 나노월드에서 벌어지는 일들은 흔히 이용하는 광학 현미경 기술로는 도저히 직접 관찰이 불가능합니다.  그래서, 나노의학을 위해서는 빛이 아닌 다른 다양한 형태의 영상 및 측정기술 들이 필요하게 됩니다.


나노물질이 왜 그리 특별한가?

사람이 만든 것 중에서도 나노 수준의 것들이 이제는 꽤 많습니다.  나노튜브(nanotube), 덴드리머(dendrimer), 퀀텀도트(quantum dots), 마그네틱 나노파티클(magnetic nanoparticle), 콜로이드 금(colloidal gold) 등이 있는데, 과학뉴스 등에서 한번씩 등장한 것을 보신 적이 있을 겁니다. 

그렇다면, 이러한 나노물질이 왜 그리 특별하게 취급받는 것일까요?  나노물질은 일상적으로 우리가 아는 물질과는 대단히 다른 특성을 가집니다.  이렇게 작은 세상에서는 우리가 흔히 알고 있는 색상, 투명성, 단단함, 전기 및 자기적 특징과 같은 여러 물리적인 성질과 심지어는 독성, 녹는점, 끓는점과 같은 화학적인 성질까지 완전히 바뀌는 경우가 많습니다. 

나노의학에서 중요한 목표가 되는 물질은 단백질입니다.  현재 알려진 단백질의 종류가 100만 개가 넘습니다.  그렇지만, 아직도 단백질 자체에 대한 연구나 지식의 수준은 그렇게 높지가 않습니다.  HGP(Human Genome Project, 인간게놈 프로젝트)가 종료된 이후, 그래도 상당히 많은 연구들이 전세계에서 동시다발적으로 진행되고 있어 일부 단백질들의 기능과 성질들이 상세하게 밝혀지고 있습니다.  아직까지는 그래서 갈길이 멀다고 할 수 있겠습니다.

또한, 세포 수준의 타겟도 중요하게 생각되고 있는데 이는 대부분의 질병들이 세포 단위에서 일어나기 때문입니다.  질병의 초기에 진단을 하는 것이 현대의학과 관련한 연구에서 가장 중점을 두고 있는 부분의 하나인데, 실제 진단이 있다고 해도 현재로서는 각각의 세포 단위로 선택적인 치료가 가능하지는 않습니다. 나노기술이 향후 이런 부분에 돌파구를 열 수 있지 않을까 기대하기 때문에, 의학의 혁명을 언급하는 것이지요 ...


나노의학의 예는 어떤 것들이 있나?

아직까지 상용화까지는 시간이 다소 걸리겠습니다만, 나노물질을 이용한 의학적용에는 다음과 같은 것들이 추진되고 있습니다.  60개의 탄소원자 케이즈로 만들어진 분자인 풀러린(fullerene)이나 반도체 나노물질로 형광발현의 특징을 가진 퀀텀도트 등이 MRI나 초음파 영상 분야나 AIDS 관련 약물전달 물질로의 적용이 검토되고 있습니다.   나노파티클에 약물을 결합할 경우에 물에 잘 녹게 만들 수 있으며(많은 약물이 물에 녹지 않습니다), 위액이나 효소에 의해 분해되는 것을 막아서 소장에서의 흡수를 증진할 수도 있습니다.  또한, 정교하게 약성분이 조금씩 녹아 나오도록 조종하는데에도 큰 역할을 할 것으로 기대하고 있습니다.

나노튜브의 경우 튜브 안에 약물을 넣어서 전달하는 컨테이너로서의 역할을 하거나, 또는 세포 내부에 약물을 전달하는 전달자나 미세주사기의 역할이 가능할 것으로 보고 있습니다.  나노파티클을 이용해서 원하는 장기나 질병이 있는 곳에 선택적으로 약물을 전달하고자 하는 연구도 활발하게 진행되고 있습니다.  프랑스의 나노바이오틱스(Nanobiotix)에서는  암세포를 인식하고 암세포막을 통과해서 이를 선택적으로 파괴하는 나노파티클을 개발하고 있습니다.  산화철(iron oxide)의 핵과 항체를 결합한 형태를 가지고 있어, 항체가 암세포를 인식하고 결합을 하면 나노파티클에 세포 내에 주입이 되면 외부에서 자기장을 걸어서 열을 이용해 세포를 파괴하는 원리인데 임상시험이 곧 진행될 것으로 알려지고 있습니다.

호주의 에펠 테크놀로지(Eiffel Technologies)에서는 일반적인 약물의 구성성분과 단백질들을 나노파티클의 형태로 생산하는 사업을 추진하고 있습니다.  이렇게 할 경우 약물로서의 약동학적 성격이 달라지기 때문에 다양한 형태의 변형이 가능할 것으로 기대됩니다.   또한, 주사기로 주어야 했던 약물들이 연기나 분무 형태로 흡입을 할 수 있도록 하는 투여방법의 변화에도 적극적으로 활용될 수 있습니다.

이미 상당부분 상용화가 진척된 분야도 있는데 대표적인 부분이 자외선 차단제 시장입니다.  산화아연(zinc oxide) 나노크리스탈을 이용해서 만들어진 크림은 이미 자외선을 차단하는데 가장 효과적인 것으로 알려져 있으며, 세계적인 회사인 BASF에서 이를 개발하여 공급을 하고 있습니다.  누셀(NuCelle)이라는 회사의 SunSense SPF 30 선크림이 이 기술을 이용해서 상용화를 한 제품입니다.

미용성형 분야에서도 앞으로 나노물질의 활용도가 높아질 것으로 보입니다.  상당수의 특허들이 이 분야에서 이미 출원이 되었는데, 특히 피부의 항노화와 관련된 기술들이 많습니다.  코팅 물질로서의 가능성도 있습니다.  나노물질의 특성을 십분 발휘하여 항미생물, 비독성으로 기존의 제품들을 만들거나, 조직의 생장을 촉진하고 접착이 잘되며, 오래가는 좋은 특성의 강화에도 도움이 될 것으로 보입니다.

진단분야에서는 미량의 항체를 진단하는데 도움이 되는 기술이 개발되고 있으며, 티타늄 합금 나노물질의 경우 외과적으로 사용되는 기구나 임플란트의 생체적합성이나 수명을 연장할 것으로 기대하고 있습니다.  또한, 임플란트에 나노 표면처리를 통해 세포의 생착이 쉽게 되도록 하거나, 세포가 자랄 수 있는 작은 공간을 만들어 넣는 기술들도 연구되고 있습니다.  여기에 생분해가 가능한 폴리머를 이용해서 3D 형태의 조직으로 가공하는 분야도 향후 재생의학, 조직공학 분야에서 중요하게 다루어질 것입니다.

마지막으로 중요하게 생각하는 응용분야는 세포영상 분야 입니다.  나노파티클 기술은 다양한 영상기술의 조영제(contrast agent)로서의 활용도 매우 높습니다.  MRI, 초음파, 광학영상 그리고 핵의학 영상에 이르는 대부분의 영역에서 나노파티클이 중요하게 각광받을 것입니다. 


이처럼 나노기술이 적용될 수 있는 의학의 영역은 매우 넓습니다.  아직까지는 가능성 수준에서 크게 벗어나고 있지는 않지만, 미래의 의학에서 나노기술의 역할은 점점 더 중요해질 것은 확실합니다.  앞으로 몇 차례에 걸쳐 이러한 나노의학의 적용기술에 대해 좀더 자세하게 소개하는 시간을 가지도록 하겠습니다.


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하이컨셉
미래는 하이컨셉, 하이터치의 세계라고 합니다. 너무 메마르고 딱딱한 이야기보다는 글로벌 시대에 어울리는 세계 각국의 이야기, 그리고 의학과 과학을 포함한 미래에 대한 이야기의 세계로 여러분을 초대합니다.

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