목 차

1. 나노약물전달 시스템의 개요
2. 나노약물전달 시스템의 최신연구동향
  2.1. 세포 매개 나노입자 약물 전달 시스템(CMNDDs)의 개념
  2.2. CMNDDs의 표적화 원리 및 작동 메커니즘
  2.3. 다양한 질환에의 응용
  2.4. 실험적 도전 과제 및 해결방안
3. 결론
4. 참고문헌


1. 나노약물전달 시스템의 개요

나노약물전달 시스템(Nanoparticle-based drug delivery systems)은 나노기술을 활용하여 약물을 특정 조직이나 세포에 선택적으로 전달함으로써 약물 효율(drug efficacy)은 높이고, 부작용(side effects)은 줄이는 기술로 지난 수십 년간 의학 분야에서 크게 발전해 왔다 [1]. 나노입자는 nanoscale의 크기와 표면 개질 가능성(surface modifiability)을 갖추어 약물의 용해도(solubility), 안정성(stability), 혈중 반감기(blood circulation half-life)를 향상시키며, 항암제, 면역조절제, 항바이러스제 등의 약물 개발에 폭넓게 활용되고 있다 [2].

그러나 기존의 나노약물전달 시스템은 여러 한계에 직면해 있다. 첫째, 나노입자는 체내 주입 시 간(liver), 비장(spleen), 폐(lungs) 등 세망내피계통(reticuloendothelial system, RES)에 비특이적으로 축적되어 치료 효율을 저해한다 [3]. 둘째, 종양 미세환경의 높은 세포외기질 밀도(high ECM density)와 높은 조직 내압은 약물의 조직 침투를 어렵게 만든다 [4]. 셋째, 혈중 단백질 코로나(protein corona)의 형성으로 면역세포에 의해 빠르게 제거되며, 면역 반응(immune response)을 유발할 가능성도 있다 [5]. 넷째, 혈뇌장벽(blood-brain barrier, BBB) 및 미세혈관망(microvascular network) 등 생체 장벽의 존재로 인해 표적 조직으로의 접근성이 제한적이다 [1-2].

이러한 한계를 극복하고자 최근에는 세포를 기반으로 한 능동적 약물전달 전략, 즉 세포 매개 나노입자 약물전달 시스템(Cell-Mediated Nanoparticle Drug Delivery Systems, CMNDDs)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 세포막 기반의 생체모방적 특성(biomimetic property)을 활용한 전략은, 체내에서 이물질로 인식되지 않고 장시간 순환하거나 병변 부위로 자발적으로 이동하는 등 기존 합성 기반 시스템보다 우수한 약물 전달 성능을 가능하게 한다. 본 보고서에서는 설명의 명확성을 위해 다음의 두 접근을 통합하여 CMNDDs라는 용어로 사용한다 (그림 1).

세포 유래 나노소포(Cell-Derived Nanovesicle) 기반 시스템: 세포를 인위적으로 물리 처리하여 생성된 nanovesicles(예: exosome mimetics)은 100–200nm 크기의 균일한 나노입자로, 원세포의 지질 이중층과 표면 수용체를 유지한다. 이로 인해 면역 회피 능력과 표적화 효율이 향상되며, 기존 extracellular vesicle (EV) 수집 방식보다 대량생산이 용이하다는 장점이 있다 [1, 3].

생체세포 기반 운반체 시스템(Living Cell Carrier Systems): 면역세포(예: 대식세포, T세포), 줄기세포, 적혈구 등 특정 세포를 약물 전달체로 활용하는 방식이다 [6]. 이러한 세포들은 자발적으로 병변 부위로 이동(homing)하는 성질을 지니며, 약물을 내재화하거나 표면에 부착한 채 표적 조직까지 운반할 수 있다 [1, 3, 7]. 이를 통해 기존 시스템의 조직 침투력 부족, 짧은 혈중 반감기, 비특이적 축적 등의 문제를 보완할 수 있다 [2, 6a, 8].

그림. 1. 기존 나노약물전달의 한계와 세포기반나노약물전달시스템(CMNDDs)의 개념적 차별성
기존 DDS는 수동적 표적화와 RES 제거로 인해 치료 효율에 한계가 있다. 능동적 표적화 전략 또한 리간드-수용체 결합의 한계와 면역계 인식으로 인해 기대만큼의 효율을 보여주지 못하고 있다. 반면 CMNDDs는 세포막 기반의 생체모방(biomimetic) 특성과 자발적 조직 이동성(homing), 면역 회피성(immune evasion)을 바탕으로, 보다 정밀하고 생리적 경로에 근거한 약물 전달을 가능하게 한다. 이를 통해 다양한 질환에서 기존 시스템 대비 향상된 축적 효율과 치료 효과를 기대할 수 있다.

저자 또한 세포 기반 전달 전략의 일환으로, 최근에는 비장 매개 전달(spleen-mediated delivery) 메커니즘에 기반한 연구를 수행하였다. 나노입자가 일시적으로 비장에 축적된 뒤, 이곳에서 활성화된 면역세포가 염증 조직으로 이동하여 약물을 전달하고 조직 재생을 유도하는 경로를 통해 치료 효율을 높이는 방식이다 [9].

이와 같이 CMNDDs는 생체 적합성과 면역 회피 능력, 생체 장벽 통과 능력 등에서 기존 나노약물전달 시스템 대비 향상된 성능을 보이며, 다양한 질환 모델에서 그 가능성이 입증되고 있다 [1]. 특히 세포막 구조를 기반으로 하는 생체모방적 전달(biomimetic delivery)이라는 점에서, 단순한 리간드 기반 표적화 전략보다 향상된 치료 정밀도와 안전성을 확보할 수 있다.

본 보고서에서는 CMNDDs의 개념과 작동 원리, 질환별 응용 사례, 실험적 도전 과제와 향후 연구 방향에 대해 고찰함으로써, 나노약물전달 기술의 최신 동향과 향후 발전 가능성을 정리하고자 한다.

2. 나노약물전달 시스템의 최신연구동향

2.1. 세포 매개 나노입자 약물 전달 시스템(CMNDDs)의 개념 

세포 매개 나노입자 약물 전달 시스템(Cell-Mediated Nanoparticle Drug Delivery Systems, CMNDDs)은 살아있는 세포(live cells)를 이용해 나노입자를 운반하는 약물 전달 전략으로, 기존 합성 나노입자 기반 시스템의 한계를 극복하기 위해 개발되었다 [1-2]. 이 전략은 세포가 가진 고유한 생리적 특성인 염증 부위로의 자발적 이동(homing), 장기 순환(long circulation), 면역 회피성(immune evasion), 생체 장벽 통과 능력(barrier penetration) 등을 활용함으로써, 기존 시스템 대비 향상된 표적화(targeting) 및 전달 효율(drug delivery efficiency)을 구현할 수 있다는 점에서 학술적·임상적으로 주목받고 있다 [2-3].

CMNDDs의 초기 개념은 2000년대 초반 면역세포 기반 약물 전달 시도에서 출발하였다 [2]. 이후 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cell, MSC), 적혈구(red blood cell, RBC), 혈소판(platelet) 등 다양한 세포들이 운반체로 활용되며 기술이 점차 발전하였고 [10], 최근에는 세포 외 소포(extracellular vesicle, EV), 엑소좀 유사 나노소포(exosome-mimetic nanovesicle), 하이브리드 막 기반 나노소포(hybrid membrane nanovesicle) 등 세포 유래 구조체(cell-derived components)를 활용한 정교한 플랫폼으로 진화하고 있다 [11]. 이러한 발전은 단일 세포 기반 운반 시스템에서 복합 생체 구조 기반의 지능형 시스템으로의 전환을 의미한다 (그림 2) [11c, 12].

그림. 2. 세포 매개 나노약물전달 시스템의 기술적 진화
면역세포 기반 운반체에서 시작해 줄기세포, 적혈구, 혈소판 등 다양한 세포 유형을 거쳐, 세포 유래 나노소포 기반의 정교한 플랫폼으로 발전한 CMNDDs의 흐름을 보여준다. 이러한 기술의 진화는 표적화, 약물 방출 제어, 생체적합성 측면에서 기존 시스템을 뛰어넘는 가능성을 제시한다.

기존의 합성 나노입자 기반 시스템은 주로 강화된 투과성과 체류 효과(enhanced permeability and retention, EPR)에 의존하는 수동적 표적화(passive targeting) 전략이 중심이었으며, 리간드-수용체 결합(ligand-receptor binding)을 이용한 능동적 표적화(active targeting) 전략도 혈중 단백질 코로나(protein corona) 형성이나 비특이적 축적(non-specific accumulation) 등의 한계로 인해 효율이 제한적이었다 [13]. 반면, CMNDDs는 병변 조직으로 자발적으로 이동할 수 있는 세포 또는 유래 구조체를 활용함으로써 별도의 리간드 없이도 자연스러운 능동 표적화를 실현하고, 약물의 표적 축적률을 획기적으로 향상시킬 수 있다 [1, 14].

최근 연구 동향은 살아있는 세포 기반 시스템과 EV 기반 시스템을 융합하거나, 유전자 조작(genetic engineering), 화학적 기능화(chemical functionalization), 하이브리드 막 기술(hybrid membrane technology) 등을 적용해 약물 방출의 타이밍, 위치, 조건을 정밀하게 제어할 수 있는 지능형 전달 시스템(intelligent delivery system)으로의 발전에 초점을 맞추고 있다 [1, 15]. 예를 들어, 광자극(photo-responsive) 또는 자기장(magnetic-responsive)에 반응하는 세포 내 탑재형 나노입자(intracellular nanoparticles), 염증 마커나 조직 미세환경 변화에 반응해 약물을 방출하는 자극 반응 기반 플랫폼(stimulus-triggered release system) 등이 활발히 연구되고 있다 [1, 14].

또한 CMNDDs는 생체적합성(biocompatibility)과 생분해성(biodegradability) 측면에서도 높은 안전성을 제공한다 [2, 14]. 자가 유래 세포 또는 세포막 기반 유래 구조체와 같은 생체모방적 구성요소(biomimetic components)는 면역원성이 낮고 체내에서 자연스럽게 분해되거나 대사 되어 독성 발생 가능성이 적다. 이로 인해 장기 약물 순환(long-term circulation) 및 반복 투여 시에도 안정성이 확보될 수 있으며, 현재 다양한 CMNDDs 기술이 전임상(preclinical) 및 임상(clinical) 단계에서 활발히 연구되고 있다 [1, 14].

2.2. CMNDDs 의 표적화 원리 및 작동 메커니즘

1) 세포 유래 나노소포 시스템 (Cell-Derived Nanovesicle Systems)

세포 유래 나노소포(cell-derived nanovesicle)는 엑소좀(exosome)이나 마이크로베지클(microvesicle)과 같이 부모 세포의 세포막에서 만들어지는 소포로, 인지질 이중층(lipid bilayer) 구조를 가지고 있으며, 부모 세포의 막 단백질과 지질 성분을 그대로 유지하고 있다 [16]. 특히 엑소좀 표면에는 CD9, CD63, CD81 등 tetraspanin 계열 단백질을 비롯해 다양한 수용체(receptors)와 접착 분자(adhesion molecules)가 포함되어 있어, 표적 세포와의 상호작용 및 흡수를 촉진하는 데 중요한 역할을 한다 [12, 17].

또한 엑소좀의 표면에 존재하는 CD47 단백질은 단핵구-포식세포계(mononuclear phagocyte system, MPS)에 대해 ‘self’ 신호를 전달함으로써 면역계로부터의 제거를 억제하고, 혈중 안정성(stability in circulation)을 높이는 데 기여한다 [17-18]. 이처럼 세포 유래 소포는 부모 세포의 특성을 잘 반영하고 있으며, 생체 환경 구조(biomimetic structure) 덕분에 인위적으로 제조한 합성 나노입자에 비해 자연스러운 표적화 능력(targeting ability)을 갖는다. 예를 들어, 대식세포 유래 엑소좀은 표면의 ICAM-1과 같은 접착 분자를 통해 염증 조직이나 혈뇌장벽(blood-brain barrier, BBB)을 자발적으로 통과할 수 있으며, 부모 세포가 갖고 있던 조직 특이성(tissue specificity)을 반영해 특정 조직으로의 향주성(homing)을 보이기도 한다 [12, 19].

세포 유래 나노소포에 약물을 탑재하는 방법은 크게 두 가지로 나뉜다. 하나는 공여 세포(donor cell)에 약물을 처리한 뒤 엑소좀이 생성되는 과정에서 약물이 함께 내포되도록 하는 방식이고, 다른 하나는 생성된 엑소좀에 약물을 담는 후처리(post-loading) 방식이다 [12, 18]. 후자의 경우 삼투압 조절, 공동배양(passive incubation), 전기천공(electroporation), 초음파 조사(sonication), 동결-해동(freeze-thaw cycles), 세포막 용해제(saponin) 처리 등 다양한 물리·화학적 방법이 활용된다 [12, 17, 20]. 이들 방법은 일시적으로 엑소좀 막의 투과성을 증가시켜 수용성 약물은 수성 코어(aqueous core) 내부에, 지용성 약물은 인지질 이중층에 삽입되어 안정화된다 [18-19].

엑소좀은 일반적으로 리간드-수용체 상호작용에 기반한 세포내섭취(endocytosis) 경로를 통해 표적 세포에 흡수된다. 엑소좀이 세포막 수용체에 결합하면 엔도좀(endosome) 내로 유입되고, 이후 약물이 세포질(cytoplasm)로 전달되거나 리소좀(lysosome)에서 분해될 수 있다 [12, 21]. 최근에는 엑소좀이 엔도솜 탈출(endosomal escape)을 통해 리소좀 분해를 회피하고, 약물을 직접 세포질로 방출할 수 있다는 보고도 증가하고 있다 [21b, 22]. 예컨대, 엑소좀 표면에 융합 촉진 펩타이드(fusion-promoting peptide)를 부착하면, 엔도좀 내의 낮은 pH 환경에서 엑소좀과 엔도좀 막의 융합이 유도되어 탑재된 약물이 효과적으로 방출될 수 있다.

자연 생성된 엑소좀은 생체 적합성(biocompatibility)과 생물학적 신호 전달 기능(cell-to-cell communication) 측면에서 강점이 있으나, 수율이 낮고 이종 혼합물이 포함될 가능성이 있어 대량생산이나 표준화에는 한계가 있다. 특히, 정제된 엑소좀은 생산 공정이 복잡하고 수율이 낮아, 임상 적용을 위한 안정적인 공급과 품질 일관성 확보에 어려움이 존재한다. 이에 따라, 엑소좀의 생리적 이점을 유지하면서도 대량 생산과 조성의 재현성을 보장할 수 있는 대안으로 인공 엑소좀(exosome-mimetics), 즉 세포 유래 나노베지클(cell-derived nanovesicle, CDN) 시스템이 개발되고 있다 [23]. 예를 들어, 마이크로유체 시스템을 이용해 세포를 반복적으로 압출하면 직경 약 100 nm의 균일한 소포를 생산할 수 있으며, 이들 소포는 엑소좀과 유사한 막 단백질과 성분을 함유하고 있으면서도, 생산성과 재현성이 높아 임상 응용에 적합하다 [20, 24].

이러한 인공 나노베지클은 표면에 표적화 분자를 추가하거나 약물을 사전 구성할 수 있는 유연성(flexibility)을 갖추고 있으며, 세포막 코팅 나노입자(cell membrane-coated nanoparticles)는 합성 나노입자의 표면을 세포막으로 감싸 자연 엑소좀과 유사한 생체 행동을 모방하도록 설계된다 [25]. 더 나아가, 엑소좀과 리포좀을 융합한 하이브리드 시스템은 엑소좀의 생체지속성(long circulation)과 신호 전달 기능, 리포좀의 높은 적재량과 균질성을 동시에 구현할 수 있어, 실제로 종양 표적 전달 효율을 향상시킨 사례도 보고되고 있다 [25b].

최근에는 다양한 외부 자극에 반응해 약물을 방출하는 스마트 나노소포(smart nanovesicle) 시스템도 개발되고 있다. 예를 들어, 종양 미세환경의 산성 조건을 이용한 pH 감응형 시스템(pH-responsive system)은 엑소좀 표면에 산성 환경에서 가수분해되는 결합을 적용해, 중성 pH에서는 안정성을 유지하다가 종양 부위에서 약물을 방출하도록 설계된다. 한 연구에서는 엑소좀 표면에 pH-감응성 benzoyl imine bond를 이용해 항체를 부착하고, 종양의 산성 환경에서 결합이 절단되어 항체가 방출되면서 항종양 효과를 유도하였다 [26].

또 다른 접근으로는 광 자극(photo-triggered) 기반 시스템이 있다. 이 경우 엑소좀에 광민감성 약물을 탑재하고, 목표 조직에 도달한 후 특정 파장의 레이저를 조사하면 활성산소종(reactive oxygen species, ROS)을 생성하거나 국소 가열을 유도해 암세포를 선택적으로 사멸시킬 수 있다 [27]. 효소 반응형 시스템(enzyme-responsive system)으로는 엑소좀을 MMP-감응형 하이드로겔에 적재하여, 종양이나 염증 부위에서 분비되는 matrix metalloproteinase (MMP)에 의해 겔이 분해되며 국소적으로 소포가 방출되도록 하는 방식이 있다. 실제 연구에서, MMP-2가 존재하는 조건에서는 약 20일간 80% 이상의 엑소좀이 방출된 반면, MMP가 없는 경우에는 10% 미만의 방출만 이루어졌다는 결과가 보고된 바 있다 [28].

이처럼 세포 유래 나노소포 기반 시스템은 탁월한 표적화 능력과 생체 적합성, 약물 전달 정밀도 측면에서 기존 합성 나노입자 시스템 대비 큰 장점을 가지며, CMNDDs 분야에서 핵심 기술로 자리매김하고 있다 [25b, 27b]. 특히, 엑소좀의 생체 적합성과 장기 순환(long circulation) 특성에, 외부 자극에 반응해 약물을 정밀하게 방출할 수 있는 기능이 결합되면, 체내에서 이물 반응 없이 오랜 시간 안정적으로 존재하다가 원하는 시점과 부위에서 선택적으로 작용하는 정밀 치료 플랫폼으로서의 시너지가 극대화된다.

2) 생체 세포 운반체 시스템(Living Cell Carrier Systems)

살아있는 세포 자체를 약물 운반체(carrier)로 활용하는 전략은, 해당 세포가 지닌 고유한 체내 향주성(homing)과 주행성(tropism)을 적극적으로 이용한다는 점에서 주목받고 있다. 예를 들어, 단핵구(monocyte)는 염증성 사이토카인(cytokine) 신호를 인식하여 염증 부위로 빠르게 이동하며 병변 조직에 침투할 수 있다. 이러한 특성을 이용해 대식세포에 나노약물을 탑재하면 염증 조직이나 종양 미세환경(tumor microenvironment)으로의 정밀한 약물 전달이 가능하다. 실제로 활성화된 대식세포에서 유래한 엑소좀은 혈뇌장벽(blood-brain barrier, BBB)을 통과하여 뇌 내로 약물을 전달한 사례도 보고된 바 있다 [29].

T 림프구(T lymphocyte), 특히 종양 특이적 세포독성 T 세포(cytotoxic T lymphocyte, CTL)는 항원 특이성을 기반으로 표적 조직으로 자발적으로 이동하고 침투할 수 있다 [30]. CAR-T 세포(chimeric antigen receptor T cell)와 같은 면역세포에 약물 탑재 나노입자를 장착하면, 암세포를 추적하며 병변 부위에 도달한 뒤 약물을 방출하는 전략이 가능하다. 이때, T 세포 고유의 살상작용과 함께 탑재 약물의 이중 공격 효과를 기대할 수 있다. 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cells, MSC)는 손상 조직이나 염증 조직, 종양 부위로의 향주성이 뛰어나며, SDF-1/CXCL12-CXCR4 축과 같은 케모카인(chemokine) 신호를 따라 종양 내로 이동할 수 있다. MSC는 항염증제, 유전자 치료제, 항암제 등의 전달뿐만 아니라, 조직 재생(repair) 및 면역조절(immunomodulation) 기능까지 갖고 있어 재생의학과 나노약물 전달을 융합할 수 있는 플랫폼으로 활용된다 [31]. 이 외에도, 호중구(neutrophil)는 급성 염증 반응 시 가장 먼저 손상 부위로 도달하는 세포로, 뇌손상이나 외상성 염증에서 치료제 전달체로 응용되고 있으며 [32], 적혈구(red blood cell, RBC)는 항원 발현이 적고 장기간 순환하는 특징 덕분에 스텔스 운반체(stealth carrier)로 각광받고 있다 [10a, 33]. 혈소판(platelet)은 손상 혈관이나 종양 혈관 내피에 잘 부착되며, 내부의 α-과립에서 약물을 방출하는 기능을 갖추고 있어 표적성 약물 전달체로도 활용되고 있다 [34].

나노입자의 세포 적재 방식은 세포 내부 적재(intracellular loading)와 표면 부착(surface attachment)으로 나눌 수 있다. 내부 적재는 세포가 나노입자를 스스로 섭취하도록 유도하는 방식으로, 세포를 약물 또는 나노입자와 함께 배양하여 자연적인 엔도사이토시스(endocytosis)로 흡수되게 한다 [35]. 대식세포나 단핵구(monocyte)는 본래 탐식세포이기 때문에, 나노입자를 세포 내 소포(endosome, phagosome 등)로 잘 흡수하는 특징이 있다 [36]. 세포의 막 투과성이 낮은 림프구나 줄기세포 등은 전기천공(electroporation)을 이용해 세포막에 일시적 구멍을 만들고 약물을 주입하는 방식이 사용되며, 초음파 처리(sonoporation)도 유사한 원리로 적용된다. 다만 이러한 기법은 세포 생존율(viability)에 영향을 줄 수 있어, 생리적 기능을 해치지 않는 조건 최적화가 필요하다 [37].

한편, 세포 표면 부착 방식으로는 화학적 결합(예: Biotin–Streptavidin 결합) [38], 리간드-수용체 상호작용 [39], 지질 삽입(lipid insertion) 등이 사용된다. 세포막에 앵커(anchor) 분자를 발현시키고, 이에 결합하는 표면 개질 나노입자를 부착시키는 hitchhiking 전략이 대표적이다. 예를 들어, β-사이클로덱스트린(cyclodextrin)이 삽입된 지질을 RBC 막에 구성하고, 여기에 ferrocene group가 부착된 나노입자를 슈프로분자(host-guest interaction) 방식으로 연결하는 방식이 있다. 또한, 항체를 이용한 표면항원 기반 결합이나, 소수성 고리를 포함한 약물-지질 복합체를 세포막에 삽입하는 방식도 활용된다. 이러한 적재 기술을 적절히 병용하면, 세포는 체내 주입 이후에도 안정적으로 약물을 보유하다가 원하는 위치에서 방출할 수 있다 [39].

약물 방출 제어 전략은 크게 내인성 자극(endogenous trigger)과 외부 자극(exogenous trigger) 기반으로 나뉜다. 내인성 방출은 표적 미세환경의 생리적 신호에 반응하여 세포가 약물을 자발적으로 방출하도록 하는 방식이다. 예를 들어, 종양 미세환경에 도달한 혈소판은 활성화되면서 α-과립에서 저장된 약물을 방출할 수 있다. 항-PD-L1 나노입자를 혈소판에 탑재하여, 종양혈관 부착 후 미소소체(platelet microparticle, PMP) 형태로 면역항암제를 국소 방출하는 전략이 실제로 보고되었다 [14].

외부 자극 기반 방법으로는 자기장(magnetic field), 초음파(ultrasound), 광자극(light stimulation) 등이 활용된다. 예컨대, 자기 나노입자를 탑재한 세포에 자기장을 가해 발열 효과를 유도하거나, 초음파를 조사하여 나노입자 방출을 촉진할 수 있다. 광분해성 결합(photo-cleavable linkage)을 적용하면, 광섬유 등을 통해 국소적으로 빛을 조사하여 결합을 절단함으로써 약물을 정밀하게 방출할 수 있다 [40].

이와 별도로, 세포 자체를 유전공학적으로 조작하여 특정 신호(예: 종양 항원)에 반응해 자살 유전자(suicide gene)를 발현시키거나, 약물 포함 엑소좀을 선택적으로 분비하게 하는 지능형 시스템도 개발되고 있다 [3].

생체 세포 운반체의 치료 시너지 효과는 매우 주목할 만하다. 면역세포 기반 운반체는 본연의 면역 기능과 나노약물 작용을 결합함으로써 전신 항암 면역효과를 증폭시킬 수 있다. 예를 들어, 항암 화학치료제를 적재한 대식세포는 종양 내 약물 전달뿐만 아니라 종양세포에서 면역원성 세포사(immunogenic cell death)를 유도해 현장 백신(in situ vaccine) 효과를 불러일으킬 수 있다. 이로 인해, T 세포를 포함한 면역세포들이 활성화되어 암 전이를 억제하고 재발을 방지하는 데 기여한다 [41].

CAR-T 세포에 나노입자를 부착한 전략에서는, 암세포를 공격하는 동안 나노입자에서 사이토카인이나 면역조절제를 방출함으로써 T 세포의 활성을 유지하거나 증폭시킬 수 있다. 이처럼 세포치료와 나노의약의 융합은 치료 효율을 높이면서 부작용은 줄이는 방향으로 진화하고 있다. 줄기세포 기반 운반체의 경우에는, 손상 조직으로 이동하여 세포의 분화 잠재력을 통해 조직 재생을 유도하고, 동시에 항염증 유전자나 성장인자를 전달함으로써 재생의학적 접근과 약물전달 전략을 동시에 구현할 수 있다. 예를 들어, 항염증 유전자가 탑재된 MSC는 염증 부위에서 면역세포의 활성을 억제하고, 회복을 유도하는 치료 효과를 발휘할 수 있다 [3].

CMNDDs는 기존 합성 나노입자 시스템의 여러 한계를 효과적으로 극복한다.

첫째, 합성 나노입자는 혈중에서 단시간 내에 제거되기 쉬운 반면, 세포 기반 운반체는 자가 유래 성분으로 구성되어 체내에서 오래 순환(long circulation)하며 안정성이 높다. 예를 들어, 엑소좀의 CD47은 포식세포 회피 신호로 작용해 혈중 반감기를 연장시킨다 [7, 42].

둘째, 면역원성과 관련해, PEGylation 등으로 표면을 개질한 합성 입자도 여전히 면역계에 의해 제거될 가능성이 있으나, 세포 기반 시스템은 인체 유래 성분으로 구성되어 면역 반응을 최소화할 수 있다 [3, 7].

셋째, 생체 장벽 통과 능력에서도 차이가 크다. 합성 나노입자는 BBB나 염증 부위 혈관 내피를 통과하기 어려운 반면, 대식세포, 호중구, MSC 등은 자가 추진 방식으로 능동적으로 장벽을 넘는다. 엑소좀 역시 수용체 매개 transcytosis 경로를 통해 BBB를 통과한 사례들이 있다 [43].

넷째, 병변 조직 깊숙한 부위로의 침투력도 뛰어나다. 세포는 능동적 이동(motility)과 분열 능력으로 종양 중심부까지 도달할 수 있으나, 합성 입자는 주변부에 머물며 치료 사각지대를 만들 수 있다 [1].

마지막으로, 세포 기반 운반체는 단순 약물 전달을 넘어, 면역 자극, 조직 재생, 항염증 등 세포 고유 기능과의 복합 효과를 유도함으로써 다중 치료 플랫폼으로의 확장이 가능하다 [3, 44]. 이러한 특성은 단순한 탑재체를 넘어, 생체환경과 융합된 정밀한 biomimetic 치료 시스템으로 진화하고 있음을 보여준다.

2.3. 다양한 질환에의 응용

암, 염증성 질환, 심혈관 질환, 신경계 질환 및 비장 기반 전달 전략의 다섯 분야별로 CMNDDs의 적용 전략, 연구 사례, 기존 치료 대비 우위를 살펴본다.

1) 암

암 치료에서 CMNDDs는 종양 미세환경(tumor microenvironment, TME)으로 자발적으로 이동할 수 있는 세포를 운반체로 활용한다. 특히 면역세포(대식세포, T 세포 등)나 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cell, MSC)와 같은 세포들이 약물 탑재 나노입자를 종양 내부까지 침투시키는 데 사용된다. 이들은 EPR 효과에 의존하지 않고 능동적으로 암조직 내로 이동하여 약물을 방출할 수 있다는 점에서 기존 나노입자 전달 전략보다 우수하다.

Zhang et al. (2018)은 대식세포 내부에 독소루비신(doxorubicin, DOX)을 함유한 실리카 나노캡슐을 탑재하고, 이를 교모세포종(glioblastoma) 마우스 모델에 주입하는 전략을 제안하였다. 이 대식세포는 종양으로 향하는 능력을 유지하며 병변에 침투했고, 현장에서 약물을 방출하여 종양 성장을 효과적으로 억제하였다. 또한 전신 독성이 매우 낮게 나타나 세포 기반 전달 전략의 안전성과 효능을 입증하였다.

CMNDDs는 종양 침투력과 표적 축적 효율이 높고, 정상 조직으로의 비의도적 분포를 줄이며, 기존 항암화학요법에 대한 내성 극복 가능성도 제시함으로써 정밀 종양 치료 전략으로 각광받고 있다 [1, 45].

2) 염증성 질환(Inflammatory Diseases)

류마티스 관절염(rheumatoid arthritis), 염증성 장질환(inflammatory bowel disease) 등 만성 염증성 질환에서는 염증 부위로 빠르게 모집되는 면역세포를 운반체로 활용하는 전략이 유용하다. 호중구(neutrophil)나 단핵구(monocyte)는 염증성 케모카인에 반응하여 손상 부위로 신속히 이동하므로, 약물 탑재 후 국소 염증 부위로 선택적 전달이 가능하다.

Wu et al. (2014)은 항-TNF-α siRNA가 탑재된 리포솜 나노입자를 호중구에 적재하여 류머티스 관절염 모델에 투여하였다. 약물을 실은 호중구는 염증성 관절로 자발적으로 이동하여 siRNA를 방출하였고, TNF-α의 과잉 발현을 억제함으로써 염증 반응을 효과적으로 제어하였다. 특히 이 호중구는 사멸 또는 NETosis 이후 대식세포에 포식되면서 siRNA가 2차 전달되는 cascade 효과도 나타났다.

이 전략은 전신 면역억제제 투여에 따른 감염 위험과 같은 부작용을 줄일 수 있으며, 염증 부위에서만 약물을 방출함으로써 높은 국소 약물 농도를 유지할 수 있다. 또한 기존 항염증제와 병행하여 치료 상승효과를 유도할 수 있다 [46].

3) 심혈관 질환(Cardiovascular Diseases)

심근경색(myocardial infarction, MI)과 죽상동맥경화(atherosclerosis) 같은 심혈관 질환에서는 손상된 심장 조직에 자연적으로 축적되는 세포(예: 호중구, 혈소판)를 이용한 약물 전달이 연구되고 있다. 이들 세포는 염증 또는 혈전 부위에 신속히 도달하는 특성을 가져, 치료제를 선택적으로 병변에 전달하는 데 적합하다. Han et al. (2024)은 호중구 유래 세포막으로 코팅된 나노입자(neutrophil decoy nanoparticle, ND)에 항염증·항산화제인 글리시리틴산(glycyrrhetinic acid, GA)을 탑재하여 심근 허혈/재관류 손상(MI/RI) 모델에 적용하였다. 이 ND 시스템은 염증성 과산화물(H₂O₂)에 반응해 약물을 방출하며, 염증 매개체도 흡착하는 기능을 갖추고 있다. 실제로 손상 심근에 선택적으로 축적되어 경색 크기를 줄이고 심장 기능을 향상시켰다. 세포기반 전달은 손상 심장조직에 직접 치료제를 집중시킬 수 있으며, 카테터 등 침습적 시술 없이도 정맥주사만으로 표적 치료가 가능하다는 점에서 임상 적용 가능성이 높다. 동시에 염증 및 산화 스트레스 등 복합 병리 경로를 동시에 조절할 수 있다는 점도 기존 치료 대비 강점으로 작용한다 [47].

4) 신경계 질환(Neurological Disorders) 

신경계 질환 치료에서 가장 큰 장벽은 혈액-뇌 장벽(blood-brain barrier, BBB)이다. 이에 단핵구, 대식세포, 호중구 등 염증 반응 중 BBB를 통과할 수 있는 면역세포나 신경 줄기세포를 약물 운반체로 활용하는 전략이 제시되고 있다.

Hou et al. (2019)은 허혈성 뇌졸중 모델에서 에다라본(edaravone)이 탑재된 RGD-modified liposome을 호중구 및 단핵구에 적재하여 전달하였다. 이들 면역세포는 자연스럽게 염증성 뇌 병변으로 이동하며 BBB를 통과하였고, 치료군에서는 대조군 대비 뇌경색 크기 약 40~50% 감소 및 신경학적 기능 개선이 나타났다.

이러한 전략은 BBB 투과성이 낮은 약물도 뇌 내 병변에 효과적으로 도달시키며, 중추신경계 외 부작용은 줄이는 동시에, 기존 약물 투여 전략의 한계를 보완한다. 특히 염증 매개 신호를 이용해 자발적 이동을 유도함으로써 정밀한 치료 효과를 구현할 수 있다 [1, 48].

5) 비장 기반 전달 전략(Spleen-Mediated Delivery)

비장(spleen)은 단핵구 및 대식세포의 저장소로 기능하는 면역기관으로, 본 전략에서는 이 점을 이용해 약물 전달을 간접적으로 조절한다. 정맥주입된 나노입자가 비장에 축적된 후, 이곳의 면역세포(monocyte/macrophage)가 이를 섭취하고 염증 부위로 이동함으로써 약물을 전달하는 방식이다.

Wang et al. (2022)은 항염증 천연물 글라브리딘(glabridin)을 적재한 나노입자(NP_Gla-5k)를 개발하여 뇌졸중 동물 모델에 정맥 투여하였다. 해당 나노입자는 비장에 선택적으로 축적되었고, 비장 내 대식세포를 항염증성 M2 형태로 극성 전환하여 전신 염증 억제 및 조직 재생을 유도하였다. 이후 재프로그래밍된 대식세포는 뇌 손상 부위로 이동하여 신경 보호 및 운동 기능 회복 효과를 나타냈다.

비장 기반 전략은 직접 병변에 약물을 주입하지 않고도 면역세포의 생리적 이동을 활용하여 치료 효과를 유도한다는 점에서 독창적이다. 치료제가 병변 부위에 자율적으로 도달하며, 불필요한 조직에는 작용하지 않도록 하여 부작용을 최소화할 수 있다. 또한 기존 치료제 접근이 어려운 부위(BBB 너머의 뇌 등)에도 간접적 접근이 가능해진다. 이러한 전략은 면역 시스템과의 협력적 치료 접근으로서 차세대 정밀의학 구현에 기여할 수 있다 [46b, 49].

2.4. 실험적 도전 과제 및 해결방안

세포 매개 나노입자 약물 전달 시스템(Cell-Mediated Nanoparticle Drug Delivery Systems, CMNDDs)은 세포의 고유한 생리적 특성을 활용하여 약물을 표적 부위에 정밀하게 전달할 수 있는 혁신적 플랫폼이다. 그러나 임상 응용을 위해서는 생산 공정, 품질 제어, 세포 생존성, 면역 반응 및 방출 제어 등 여러 기술적 난관을 극복해야 한다 [50]. 이러한 주요 기술적 도전 과제들과 각각의 해결 전략을 요약하면 다음 (표 1)과 같다.

표 1. 세포 매개 나노입자 약물 전달 시스템(CMNDDs)의 주요 도전 과제 및 해결 전략 

1) 생산 공정 표준화와 품질 일관성 확보(Standardization and Quality Control)

세포 유래 나노소포(cell-derived nanovesicles, CDNVs)의 경우, 세포 종류와 배양 조건에 따라 소포 특성이 달라지므로 배치 간 일관성을 확보하기 어렵다. 같은 세포에서 유래한 엑소좀(exosome)이라도 배양 환경 변화에 따라 입자 크기, 단백질 구성 등에 차이가 발생한다. 이를 해결하기 위해 세포 은행(cell bank)을 기반으로 균일한 세포 원료를 사용하고, 세포 배양부터 소포 분리까지의 전 과정에 GMP 기준을 적용하는 노력이 필요하다.

예를 들어, MSC 유래 EV의 GMP 생산 사례에서는 CQCP (Critical Quality Control Point)를 설정하여 무균 시험, 내외인성 바이러스 검사, 엑소좀 마커(CD9/63/81) 발현 분석 등 다단계 품질 검사를 통해 로트 간 일관성을 확보하였다. 실제로 다섯 로트의 입자 크기는 100–150 nm 범위에서 일정했으며, 표면 단백질 발현의 RSD (relative standard deviation)는 30% 미만으로 유지되어 공정의 재현성을 입증하였다.

2) 대량 생산(scale-up)을 위한 공정 개선(Process Innovation for Large-Scale Production)

자연 분비된 EV는 수율이 낮아 임상용 생산에 한계가 있다. 이를 극복하기 위한 방안으로, 세포를 물리적으로 압출(extrusion)하여 엑소좀 유사체(exosome mimetics)를 생산하는 기술이 개발되고 있다. 예컨대, 다형핵 백혈구(PMN)를 미세 필터로 압출하면 자연 엑소좀보다 수율이 유의미하게 증가하며, 일부 특허에서는 크기 조절 및 균일 생산이 가능한 제조법이 제안되었다. 그러나 인공 유래 소포가 천연 EV와 구조적·생물학적 동등성을 지니는지에 대한 검증이 여전히 필요하다 [51].

3) 세포 생존성과 기능 보존(Preserving Cell Viability and Functionality)

세포 기반 운반체(living cell carrier)에서는 약물 탑재 방법에 따라 세포 생존율(cell viability)이나 이동성(homing ability)이 저하될 수 있다. 자유 약물을 세포 내로 주입할 경우, 세포 내 효소에 의해 분해되거나 활성 약물이 손실될 우려가 있어, 세포 표면에 약물을 결합하는 방식이 대안으로 제시된다.

예를 들어, T 세포 표면의 자연 발생 thiol기에 maleimide기가 부착된 나노입자를 화학적으로 연결하면 세포당 약 150개의 입자를 부착할 수 있고, 세포 표면의 약 3%만 점유하여 세포 기능을 방해하지 않는다. 또한, electroporation, click chemistry, EDC-NHS coupling과 같은 생체친화적 반응을 통해 세포막 손상 없이 안정적인 나노입자 부착이 가능하다 [50b, 52].

4) 면역원성 및 독성 안전성 평가(Immunogenicity and Toxicity Safety Evaluation)

CMNDDs는 자가 유래 세포를 사용하더라도 반복 투여 시 면역반응(immunogenic response) 가능성을 배제할 수 없다. 특히 동종(allogeneic) 또는 이종(xenogeneic) 세포/EV의 경우 보체 활성화(complement activation) 또는 사이토카인 유도(cytokine release)의 위험이 있다. 따라서 GLP 수준의 안전성 평가에서 사이토카인 프로파일 분석, 면역세포 표현형 분석, 조직 병리학 검사 등을 수행하여 면역 반응을 모니터링해야 한다.

HEK293T 유래 EV를 반복 주사한 연구에서는 독성이나 면역반응이 나타나지 않았으며, 혈중 염증 마커의 변화도 미미하였다. 다만 탑재된 cargo의 종류나 표면 개질 여부에 따라 면역반응 차이가 발생할 수 있으므로, 제제별 독립적인 면역 안전성 평가가 필수적이다[50b].

5) 약물 방출 타이밍 제어(Controlled Drug Release)

세포 또는 소포에 탑재된 약물이 비표적 부위에서 먼저 방출될 경우 부작용이 발생할 수 있으므로, 약물이 원하는 시점과 장소에서만 방출되도록 하는 제어 기술이 중요하다. 다음과 같은 환경 반응형(triggered) 방출 전략이 연구되고 있다 [50, 53].

- pH-responsive release: 종양이나 염증 부위의 낮은 pH에 반응하여 약물을 방출. 예: i-motif DNA가 엑소좀 표면에 결합되어, 산성 환경에서 약물을 자동 분리.
- Light-triggered release: NIR(near-infrared) 빛을 이용해 UCNP (upconversion nanoparticle)를 세포 내에 삽입하고, UV 전환을 통해 광분해성 약물을 방출. 예: macrophage에 UCNP + micelle + DOX를 탑재한 후 NIR 레이저 조사로 종양 내 방출 유도.
- Thermal-triggered release: 온도 감응성 리포좀 또는 ECM 하이드로겔을 이용하여 고온에서 약물 방출 또는 체내 겔화 유도.
- Magnetic/ultrasound stimulation: 자기 나노입자를 탑재하고 외부 자극을 통해 발열 또는 투과성 증가로 방출 촉진.
- Prodrug activation: 특정 효소에 의해 활성화되는 전구체를 이용해 표적 부위에서만 약물 효과 발현.

3. 결론

세포 매개 나노입자 약물 전달 시스템(Cell-Mediated Nanoparticle Drug Delivery Systems, CMNDDs)은 기존의 나노약물전달 시스템이 지닌 한계를 극복하고자 개발된 차세대 정밀의학 플랫폼이다. 기존의 합성 나노입자 기반 전달 전략은 생체 장벽(biological barriers) 통과의 어려움, 비특이적 조직 축적(non-specific tissue accumulation), 빠른 혈중 제거(rapid clearance) 등의 문제로 인해 치료 효율(drug efficacy)과 안전성(safety) 모두에서 제약을 받아왔다.

반면, CMNDDs는 생체 세포(living cells) 또는 세포 유래 구조체(cell-derived components)를 약물 운반체(drug carrier)로 활용함으로써, 표적 조직(target tissue)으로의 능동적 접근(active targeting), 혈중 지속 시간 연장(prolonged circulation time), 면역 회피 능력(immune evasion) 등 여러 측면에서 기존 전략 대비 우수한 성능을 발휘한다.

CMNDDs는 크게 두 가지 유형으로 구분된다. 첫 번째는 세포 유래 나노소포 기반 시스템(cell-derived nanovesicle systems)으로, 엑소좀(exosome), 마이크로베시클(microvesicle), 또는 인공 나노소포(exosome-mimetic nanovesicle) 등을 활용하여 모세포의 생물학적 특성(biological identity)을 반영한 고효율 약물 전달(high-efficiency drug delivery)을 구현한다. 특히 엑소좀 기반 시스템은 낮은 면역원성(low immunogenicity)과 혈액-뇌 장벽(blood-brain barrier, BBB) 통과 능력 등을 바탕으로 암(cancer), 염증성 질환(inflammatory diseases), 신경계 질환(neurological disorders) 등 다양한 질환 치료에 응용되고 있으며, 생산 표준화(manufacturing standardization) 및 탑재 효율(drug loading efficiency) 향상을 위한 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다.

두 번째는 생세포 기반 운반체 시스템(living cell carrier systems)으로, 면역세포(immune cells), 줄기세포(stem cells), 적혈구(red blood cells) 등 각 세포가 가진 고유한 생리학적 이동 경로(physiological trafficking pathway)와 조직 호밍 능력(tissue homing ability)을 활용하여 약물을 표적 부위까지 직접 운반하는 방식이다. 이 접근은 합성 나노입자에 비해 생체 적합성(biocompatibility)이 높고, 병변 조직(injured or diseased tissue)으로의 침투력(tissue penetration)이 우수한 장점이 있다. 실제로 암, 염증성 질환, 심혈관 질환(cardiovascular diseases), 중추신경계 질환 등 다양한 분야에서 그 응용 가능성이 확인되었으며, 본 저자가 수행한 연구에서는 비장(spleen)을 기반으로 면역세포를 재프로그래밍(reprogramming)하여 염증 조직에 대한 정밀 치료(precision therapy) 가능성을 입증한 바 있다.

그러나 CMNDDs의 상용화 및 임상 적용을 위해 해결해야 할 기술적 도전 과제들이 여전히 존재한다. 첫째, 세포 유래 소포 및 생세포 운반체의 생산 공정(manufacturing process)을 표준화하고 품질 일관성(batch-to-batch consistency)을 확보하는 것이 필요하다. 둘째, 약물 탑재 효율과 방출 제어(precise drug release control) 기술을 고도화하여, 병변 조직에서 시공간적(spatiotemporal) 약물 방출이 가능하도록 설계해야 한다. 셋째, 면역원성(immunogenicity) 및 전신 안전성(systemic safety)을 확보하기 위한 전임상(preclinical) 독성 시험과 엄격한 품질 관리 기준(QC metrics) 수립이 필수적이다.

이러한 기술적·규제적 난제들을 극복하기 위해, GMP 기반 생산 시스템(GMP-compliant manufacturing platform)의 구축, 면역 회피형 전달체(immuno-evasive delivery system) 설계, 환경 감응성(environment-responsive) 약물 방출 시스템 개발 등의 연구가 병행되고 있다. 특히, CMNDDs는 생체 유래 구성요소의 고유한 특성을 활용해 인체와의 생물학적 융합(biological integration)이 뛰어난 biomimetic delivery platform으로 진화하고 있으며, 이는 기존 합성 기반 시스템이 갖지 못한 정밀성과 안전성을 동시에 확보할 수 있는 차별점으로 작용한다.

결론적으로, CMNDDs는 체내에서 표적 조직으로의 능동적 약물 전달을 가능하게 하며, 치료 효율과 정밀도를 동시에 향상시킬 수 있는 유망한 차세대 약물전달 기술로 주목받고 있다. 암, 염증, 신경계 질환 등 다양한 분야에서 그 효과가 점차 입증되고 있으며, 향후에는 기존 치료 전략을 보완하거나 대체할 수 있는 임상적 잠재력을 지니고 있다. 이를 위해 세포 및 소포의 대량 생산, 표준화된 조작 기술, 안전성 평가를 위한 규제 기관과의 협업이 필수적으로 요구되며, CMNDDs는 이러한 융합적 발전을 통해 정밀의료(precision medicine) 시대의 핵심 전달 플랫폼으로 자리매김할 수 있을 것이다.

4. 참고문헌

==>첨부파일(PDF) 참조