최근 내성 발현 속도가 더욱 빨라진 슈퍼박테리아의 급증은 기존 항생제 치료법의 한계를 명확하게 보여주고 있으며, 세계보건기구(WHO)는 이런 슈퍼박테리아가 차세대 팬데믹이 될 것으로 경고하고 있어 새로운 항균 치료법의 개발이 시급한 상황이다. 한국생명공학연구원(원장 권석윤, 이하 생명연) 감염병연구센터 류충민 박사 연구팀은 바이오나노 기술을 이용하여 슈퍼박테리아를 효과적으로 제어할 수 있는 금나노입자와 지질나노입자 기반의 신규 항생제를 개발하여 기존 항생제의 한계를 극복할 수 있는 슈퍼박테리아 치료의 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대되고 있다.

이번 연구성과는 인체의 유익한 균에는 영향을 주지 않고 특정한 병원균만을 선택적으로 사멸시킬 수 있어 항생제 내성 문제를 극복하면서 슈퍼박테리아를 정밀하게 타겟하여 제어할 수 있는 신개념 치료 기술이다. 연구팀은 먼저 세균 생존에 필요한 철분을 세포 내로 이동시키는 시데로포어(siderophore)라는 유기물질에 금나노입자를 결합시켰다. 그 후 특정파장(808nm)의 빛(근적외선)을 비추었는데 세균 속에 들어간 금나노입자가 순간적으로 수백도의 열을 발생시켜 실험대상인 녹농균을 물리적으로 사멸시켰다.

생쥐 피부 감염 모델을 이용한 실험결과 신속하게 상처가 치유되는 것을 확인하였으며, 면역세포나 정상피부 조직에는 영향을 미치지 않는 것으로 나타나 생체안전성도 높은 것으로 평가되었다. 연구팀은 또 다른 연구에서 세균 내로 유전자 편집 시스템(CRISPR-Cas13a)을 전달할 수 있는 새로운 지질나노입자를 제작하였다. 세균 특이 가이드 RNA가 세균의 특정 유전자를 인식하면 유전자 편집 시스템에 있는 효소(Cas13a)가 세포 내 RNA를 무작위적으로 분해하여 세균이 사멸되었다.

패혈증 동물 모델을 이용한 실험결과 새로운 지질나노입자에 의해세균 몸속으로 들어간 유전물질이 치명적인 유전자 편집을 일으켜세균이 사멸되면서 패혈증을 성공적으로 억제하는 것을 확인하였다. 연구책임자인 류충민 박사는 “슈퍼박테리아를 연구하는 생물학에 나노기술을 접목하여 개발한 이번 기술은 기존 항생제 치료 방식에서 벗어나 차세대 감염 치료법을 제시했다는 점에서 중요한 의미가 있다.”라며, “향후 추가적인 연구를 통해 슈퍼박테리아와의 싸움에서 중요한 전환점을 맞이할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

한편 이번 연구성과는 세계적인 과학 저널인 ACS Nano(IF 15.8)에 2월 2일 게재되었으며 Advanced Healthcare Materials(IF 10.0)에 3월 14일 표지 논문으로 게재되었다.
(논문명 : Siderophore-Functionalized Nanodrug for Treating Antibiotic-Resistant Bacteria / 교신저자 : 생명연 류충민‧권오석 박사 / 제1저자 : 서휘원 박사, 하시영‧김진영 선임연구기사)
(논문명 : Lipid Nanoparticle-Mediated CRISPR-Cas13a Delivery for the Control of Bacterial Infection / 교신저자 : 생명연 류충민‧김다정 박사 / 제1저자 : 김부건 박사후연구원)

과기정통부 바이오‧의료기술개발사업, 환경부 생활화학제품 안전관리기술개발사업, 생명연 주요사업 지원으로 수행되었다.

연   구   결   과   개   요

□ 연구배경
○ 항생제 다제내성균(슈퍼박테리아)의 급증으로 인해 기존 항생제 치료법의 한계가 명확해지고 있다. 세계보건기구(WHO)는 슈퍼박테리아를 ‘차세대 팬데믹’으로 경고하고 있으며, 새로운 항균 치료법의 개발이 시급한 상황이다.
○ 박테리아 치료를 위한 기존 항생제 개발의 경우 개발 비용은 커지고 있지만, 박테리아의 내성 발현 속도가 더욱 빨라지고 있어 신규 항생제를 개발하더라도 사용이 어려워지고 있으며 여러 항생제에 내성을 가지는 슈퍼박테리아의 확산으로 인해 치료에 어려움을 겪고 있다.
○ 따라서 기존 항생제와는 다른 방식으로 슈퍼박테리아를 치료할 수 있어 항생제 내성 문제를 극복하면서 슈퍼박테리아를 정밀하게 타겟하여 제어할 수 있는 신개념 치료 기술이 필요했다.

□ 연구내용
○ 본 연구팀은 첫 번째로 슈퍼박테리아 녹농균이 특이적으로 생산하는 철 결합성 시데로포어(siderophore)를 금나노입자(AuNP-NSC)에 결합한 신개념 나노입자를 설계하였다.
○ 이러한 나노입자는 녹농균 세포 내부에 쉽게 축적되었으며 808 nm 근적외선을 처리하면 강력한 열을 발생시켜 세균을 선택적으로 제거하는 방식으로, 기존 항생제와 달리 내성 발생 가능성이 낮다. 해당 나노입자는 녹농균 제어에 효과적이었으며, 동물 피부 모델 실험에서 상처 회복 가속화 및 감염 억제 효과가 증명되었다.
○ 본 연구팀은 두 번째로 지질나노입자에 유전자 편집 기술(CRISPR-Cas)을 접목시켜 세균 내부로 지질나노입자를 전달하고 세균 내 유전물질을 분해할 수 있는 신규 지질나노입자를 설계하였다.
○ 신규 지질나노입자에 사용된 CRSIPR-Cas13a는 가이드 RNA가 세균의 특정 유전자를 인식하면 세포 내 RNA를 무작위적으로 분해하여 세균을 사멸시킬 수 있다. 해당 지질나노입자는 병원에서 패혈증을 일으키는 환자에서 분리된 임상 대장균(Escherichia fergusonnii)을 대상으로 검증되었으며, 동물 모델에서 대장균에 의한 패혈증을 성공적으로 억제하여 슈퍼박테리아 감염 치료의 새로운 가능성을 제시하였다.

□ 연구성과의 의미
○ 생물학-나노기술 융합을 통한 신개념 슈퍼박테리아 감염 치료 기술 개발
 - 신개념 나노입자 기술 개발을 통해 슈퍼박테리아에 의한 감염을 치료하고 항생제 내성 발생을 극복할 수 있는 기술 제시  
 - 본 연구에서 개발한 나노기술들은 기존 광범위 항생제와 달리 특정 슈퍼박테리아만 선택적으로 제거할 수 있어 인체의 정상 세균총에 미치는 영향 최소화
 - 피부 감염, 패혈증 등 다양한 질환에 적용 가능성을 확인하였으며, 향후 의료 및 제약 산업에 활용될 것으로 기대

연 구 결 과  문 답

이번 성과 뭐가 다른가
신개념 나노입자 기술 개발을 통해 특정 슈퍼박테리아를 선택적으로 제거하여 기존 항생제의 부작용을 최소화할 수 있습니다.

어디에 쓸 수 있나
1. 기존 항생제로 치료가 어려운 슈퍼박테리아 감염증 치료
2. 피부 감염, 패혈증 등 다양한 세균 질환 치료에 활용

실용화까지 필요한 시간은
두 가지 나노입자 개발은 새로운 개념을 제시한 초기 단계로 PK 특성, 약물성 평가 및 개선을 통한 최적화 연구, 생체적합성 및 안정성 연구가 추가적으로 필요합니다. 또한 대량 생산 및 생산 비용 절감을 위한 기술 개발이 필요하므로 최소 5년 정도의 시간이 필요할 것으로 생각됩니다.

실용화를 위한 과제는
1. 나노입자의 약물성 평가 및 개선
2. 나노입자의 생체적합성 및 안정성 확보
3. 나노입자의 대량 생산 및 생산 비용 절감

연구를 시작한 계기는
본 연구팀은 나노기술 연구팀과의 공동세미나를 통해 생물학과 나노기술을 접목하는 방안을 탐색하였습니다. 처음에는 각 팀에서 어떤 연구를 수행하는지를 공유함으로써 각 학문에 대한 이해를 다져나갔고, 여러 번의 모임에서 브레인스토밍을 통해 두 학문을 결합한 신개념 나노기술을 개발할 수 있었습니다.

에피소드가 있다면
코로나 팬데믹에서 백신에 사용된 지질나노입자는 mRNA를 전달하는 것이 특징입니다. 따라서 본 연구진은 세균에 적용가능한 지질나노입자를 만들기 위해 처음에는 RNA를 포함한 지질나노입자를 제작하였습니다. 하지만 RNA가 실제 세균 세포에 전달되었는지, 안정하게 유지되고 있는지를 확인하기 어려웠습니다. 이에 전략을 바꿔 지질나노입자에 DNA 형태의 플라스미드를 탑재하는 것으로 바꾸어 지질나노입자 스크리닝이 가능하도록 개선하였으며, CRISPR-Cas13a 시스템도 플라스미드 형태로 지질나노입자에 탑재할 수 있어 기술 개발에 성공할 수 있었습니다.

꼭 이루고 싶은 목표는
본 연구팀이 개발한 나노입자 기술은 아직 초기 컨셉 단계로 산업에 적용하기까지는 다양한 추가 연구가 필요합니다. 그렇기에 추가 연구를 통해 항생제 내성을 극복하여 세계 보건에 기여할 수 있는 신개념 슈퍼박테리아 치료제를 개발하는 것입니다.

신진연구자를 위한 한마디
본 연구성과는 슈퍼박테리아에 대한 생물학적인 이해와 나노기술을 이용하여 신개념 항균제 개발을 위한 나노바이오 융합연구 성과입니다. 다학제간 깊이 있는 전문성을 융합시키고 고민한 끝에 이를 발전시켜나간 것이 이 연구성과 창출의 주된 원동력이라고 생각합니다. 도전하는 연구 목표를 달성하기 위해 다양한 교류를 통하여 새로운 응용 분야 개발에 힘쓰기를 응원합니다.