1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

최근 암 치료 분야에서는 정밀 타겟팅 및 부작용 최소화를 목표로 한 빛을 이용한 테라노스틱스 (Theranostics)가 주목받고 있습니다. 빛을 이용한 테라노스틱스란, 특정 파장의 빛을 이용해 치료 (Therapy)과 진단 (Diagnostics)을 동시에 수행하는 전략으로, 비침습적이며 부작용이 적고, 치료 반응 모니터링이 가능하다는 장점이 있습니다. 이 중에서도 근적외선 (Near-Infrared, NIR) 빛은 체내 깊은 조직까지 도달할 수 있어, 기존 광역학치료의 한계를 극복할 수 있는 이상적인 치료 자극원으로 각광받고 있습니다. 그러나 이러한 기술을 현실화하기 위해서는 높은 광 반응 효율, 생체적합성, 조직에 머무는 능력을 모두 만족하는 새로운 플랫폼이 요구됩니다.

현재까지 가장 널리 사용된 광감각제 (Photosensitizer)는 무기나노소재, 특히 퀀텀닷 기반의 광감각제가 많이 사용됩니다. 이들은 NIR 영역에서 우수한 흡수 및 발광 특성을 지니며, 광열치료와 광역학치료를 동시에 수행할 수 있습니다. 하지만 대부분의 퀀텀닷은 고온/고압에서 합성되며, 독성 전구체 사용, 수용성 이슈, 조직 잔류 및 축적 등의 문제로 임상 적용에 제약이 있었습니다. 또한 기존 퀀텀닷은 조직 부착력이 없어 치료 부위에서 빠르게 퍼져나가며, 치료 효율이 낮다는 한계가 존재했습니다.

이번 논문에서는 이러한 한계를 극복하기 위해, “근적외선 감응형 단백질 기반 퀀텀닷”을 새롭게 설계했습니다. MSND (Mussel protein mineralized silver nanodots)는 다음과 같은 특징을 지닙니다. 첫째, 홍합접착단백질 (Mussel adhesive protein, MAP)기반으로 설계되어, 생체 조직에 부착성이 뛰어나 치료 부위에 오래 머무릅니다. 둘째, 홍합접착단백질에 은 이온 결합 펩타이드를 융합하여 (MAP-AgP35), 수용액 상에서 상온/상압의 친환경적 저온 생체광물화로 Ag2S 퀀텀닷을 형성합니다. 이로 인해 기존 Ag2S 퀀텀닷보다 밴드갭이 획기적으로 좁아져 (0.15 eV), NIR 빛에 반응성이 극대화됩니다. 셋째, NIR 빛 조사시 강력한 ROS (·O₂^-) 생성과 높은 광열변환 효율 (~59%)을 보이며, 암세포를 효과적으로 사멸시킵니다. 암세포에서는 강력한 세포사멸 유도 (Caspase-3 activation), 미토콘드리아 손상, 세포 구조 붕괴가 관찰되었습니다. 동물 모델에서는 단 1회의 NIR 조사로 종양을 완전히 제거할 수 있었으며, 조직독성 및 장기축적이 적어 장기 생체안전성이 확인되었습니다. 이 연구는 단백질 기반 퀀텀닷이라는 새로운 개념을 도입하여, 기존 무기 나노소재의 한계를 극복하고 임상 전환 가능성을 대폭 향상시켰습니다. 특히 조직 표적성, 광반응 효율, 생분해성, 안전성을 모두 만족하는 테라노스틱스 플랫폼으로 주목받고 있으며, 유방암, 피부암 등 표재성 종양 치료뿐만 아니라, 향후에는 정맥 주사형 투여체, 면역치료 병합, 초음파/약물 방출 시스템과의 융합 등 다양한 응용 확장이 가능합니다. 또한, 홍합접착단백질 기반의 생체적합성과 자기조립 능력은 향후 약물 전달, 재생의학, 조직 공학, 표적 영상화 등 다양한 분야로도 확장이 기대됩니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

현대 과학이 발전하면서 자연의 복잡성과 기능성, 그리고 주변 환경에 대한 높은 적응력을 지닌 생명 체계를 구축하고 조절하는 데 사용하는 기본 원리가 밝혀지고 있습니다. 자연의 정교한 기능에 대한 통찰력은 생물학적 시스템에서 영감을 받은 새로운 원리를 찾아내고, 이를 활용하여 의학을 비롯한 생체공학 등의 분야를 획기적인 발전을 가져올 수 있는 지능형 생체재료를 개발할 수 있게 합니다. 제가 속한 경북대학교 의생명융합공학과 지능형생체재료 연구실 (IBM Lab.)에서는 생체 유래의 자극감응성 단백질 생체소재를 기반으로 마이크로/나노입자 혹은 하이드로젤 등으로 제형화하여 항암/항균 나노치료제 및 조직재생을 위한 오가노이드 개발을 주된 목표로, 스마트 헬스케어 및 정밀의료를 현실화하기 위한 학제간 융합연구를 진행 중에 있습니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

2020년 교수님께서 부임하셨을 때 첫 학생으로 연구실에 들어와서 연구실의 모든 장비들을 세팅하며 교수님과 많은 시간을 보냈습니다. 실험을 해야 하지만, 실험 기기가 없어서 교수님과 함께 실험을 배우러 출장 다녀오는 시간도 가지기도 했습니다. 연구실에 하나 둘 실험기기가 생기고, 연구실에서 실험할 수 있는 실험의 수가 늘어날 때마다 연구실이 점점 커져가는 것을 보며 보람을 느끼게 되었습니다. 연구실 세팅을 하던 때가 어제 같은데, 좋은 논문을 출판할 수 있게 연구실이 발전하였습니다. 연구실의 다른 학생들은 갖지 못한, 연구실 세팅의 경험을 가졌기에 자부심을 갖고 생활하고 있습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

과학 기술이 발전하면서, 건강에 대한 사람들의 관심이 높아지고 있습니다. 제가 연구하고 있는 단백질 기반 의료용 소재 개발은, 사람들의 관심이 높아질수록 각광받는 분야라고 생각합니다. 다른 공대 분야보다 in vitro 및 in vivo 실험이 추가되어 연구 기간도 길어지고, 분석해야 하는 실험들의 수가 많지만 나의 이 연구가 많은 사람의 건강 및 생활증진과 연관되었다는 생각을 하면 자부심을 갖고 연구를 매진할 수 있습니다. 긴 연구 시간 중에서도, 체력적인 부분이 많이 중요하다고 생각하여 바쁜 학업을 하는 중에도 운동을 꼭 하여 체력을 기르시면 좋겠습니다. 공동의 건강을 위한 연구를 진행하면서 본인의 건강도 지키면서 연구를 하시면, 두 배로 보람찬 연구를 하실 것이라 생각합니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

본 연구에서는 치료에서 생광물화로 만들어진 단백질-퀀텀닷 나노닷을 이용하여 근적외선 감응성 고형암 치료를 진행하였습니다. 다음 연구로는 다른 다양한 외인적 자극을 이용하여 원하는 시기에 치료효과를 내는 방법을 이용하여 단백질 기반 정맥 주사형 투여체, 면역치료 병합 등의 항암치료를 진행할 계획입니다. 또한, 항암치료 이외에도 세포치료제, 성장인자 전달 등의 다양한 치료 플랫폼 개발 연구를 수행할 것입니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

고분자공학을 전공하여, 생물학을 잘 모르던 저를 연구자로 성장할 수 있도록 열정적으로 지도해 주시고, 아낌없이 연구할 환경을 만들어주신 조윤기 교수님께 감사드립니다. 처음 사제의 연을 맺어, 초보 학생이었지만 어느덧 후배들이 많이 생겨 교수님께서 지도해주신 열정을 다해 후배들을 가르치겠습니다. 또한, 연구실 생활을 늘 즐겁게 만들어준 연구실 식구들에게도 감사합니다. 제 학위기간동안 물심양면 지원해주신 부모님, 육체/정신적으로 힘들 때 버팀목이 되어준 친구들에게도 감사의 말을 드립니다. 연구실 식구들이 좋은 논문을 내길 바랍니다.