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김희경
김희경(Hee-Kyung Kim) 저자 이메일 보기
경북대학교 의과대학
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Highly brain-permeable apoferritin nanocage with high dysprosium loading capacity as a new T2 contrast agent for ultra-high field magnetic resonance imaging

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

자기공명영상(MRI) 장비는 고해상도의 해부학적 영상을 제공함에 따라 암과 같은 질병을 비롯하여, 특히 뇌 질환을 진단함에 있어 유용한 영상 장비입니다. 또한 MRI진단 시 가돌리늄 금속 기반의 조영제를 주사하여 질병 부위나 특정 조직, 혈관 등을 더 정밀하게 관찰할 수 있게 하여 진단에 도움을 주고 있습니다. 최근 7T 이상의 초고자장 MRI가 임상에 사용되기 시작함에 따라 기존의 3T 자기장에서 보지 못한 초고해상도 정밀 이미징이 가능하게 되어 알츠하이머, 뇌졸중 등의 뇌 질환 진단과 더불어 뇌세포의 기능 등을 이해하는데 획기적인 전환점이 되고 있습니다. 하지만 기존의 3T 임상 장비에서 사용되고 있는 가돌리늄 기반의 조영제는 고자장 환경에서 자기이완율의 감소로 인한 효과 저하로 고자장 장비를 활용한 진단 시 사용할 수 없는 실정입니다.

뿐만 아니라 뇌 질환 진단을 위해 약물을 뇌까지 전달함에 있어서 BBB (Blood-Brain Barrier) 통과의 어려움이 있기에 이를 극복할 수 있는 약물 디자인 및 전달 시스템 개발이 요구되고 있습니다. 따라서 본 연구진은 우선 고자장에서 효과 저하가 일어나지 않고 뇌까지의 약물전달이 효율적으로 가능한 진단 조영제 디자인으로 아포페리틴 (apoferritin) 단백질 케이지 (cage)에 고자장에서도 높은 자기이완율을 유지하는 디스프로슘 (Dysprosium) 기반의MRI 조영제를 대량으로 탑재할 수 있는 나노 플랫폼을 개발하였습니다. 그리고 본 연구의 결과는 기존에 연구된 아포페리틴의 정맥(intravenous) 주사를 통한 BBB로의 전달 루트 (route)가 아닌, 뇌실 (intraventricular) 주사를 통해 Brain-CSF barrier와 Blood-CSF barrier를 통과하여 아포페리틴 단백질을 뇌실질 (brain parenchyma) 안으로 전달하는 새로운 루트를 입증함과 동시에 기존의 BBB를 통한 약물 전달 시스템과 비교하여 20배 적은 양으로 3배 이상의 영상 증강 효과로 뇌 질환 진단이 가능함을 보여주었습니다.

본 연구에서 사용한 아포페리틴과 같이 약물전달이 용이한 단백질이나 펩타이드 구조체는 앞으로 더 다양한 방향으로 디자인되고 개발되어 영상제제 뿐만이 아니라 뇌 질환 치료가 가능한 약물들도 효율적으로 탑재하여 적은 양으로도 진단과 치료가 가능한 새로운 나노 플랫폼으로 활용될 것으로 기대하는 바입니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

본 연구를 진행한 경북대학교 의과대학 BMR (Biomedical Magnetic Resonance Imaging) 연구실은 장용민 교수님의 지도하에 연구교수인 본인을 제외한 박사 후 연구원 1명, 박사과정 13명, 석사과정 9명, 연구원 2명이 함께 연구하고 있습니다. 본 연구실은 MRI 영상 장비를 기반으로 하는 질병 진단 연구에 중점을 두고 있으며, 특히 분자 영상 연구팀은 물리, 나노공학, 화학, 응용화학, 생물, 생명공학 등 다양한 분야 출신의 학생들이 함께 구성되어 영상 제제의 디자인, 합성 및 물리 화학적 특성 평가, 질병 모델에서의 약물 효능 평가 및 기전연구까지 분자 영상 제제 개발의 전 과정의 연구를 한 곳에서 할 수 있는 특화된 연구 시스템으로 운영되고 있어 다양한 연구를 진행 할 수 있다는 장점이 있습니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

새로운 물질을 디자인하고 합성해서 그 효과를 검증하기까지 생각보다 긴 시간 걸리고 예상을 빗나간 실험결과들로 고군분투하면서 연구에 있어서 인내와 꾸준함이 중요하다는 것을 절실히 느끼며 포기하고 싶은 자신을 스스로 다독여가며 현재에 와 있습니다. 하지만 힘든 과정의 끝에 개발한 물질의 효과가 입증되어 임상까지의 과정에 참여하며 제약회사와의 협업을 진행하면서 큰 보람을 느끼기도 합니다. 그리고 란타나이드 (Lanthanide) 금속을 활용한 저분자 조영제를 개발하는 팀은 국내에서 본 연구팀이 유일하다고 해도 과언이 아니기에 희소성 있는 연구를 전문적으로 함에 있어서 느끼는 자부심도 큽니다.

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

다른 분야도 마찬가지 일거라 생각합니다만, 분자 영상 제제를 개발하는 분야는 한 가지의 학문에만 기초하지 않습니다. 본 분야에서는 다양한 영상 장비의 이해를 위해 물리학적, 공학적 지식이 바탕이 되어야 하고 특정 질병에 대한 생물학적, 의학적 이해가 동반되며, 실제 물질을 디자인하고 합성함에 있어서는 화학적 지식 기반이 필요합니다. 어떻게 보면 여러 분야의 지식 습들을 통한 다양하고 흥미로운 연구이나 어떻게 접근하면 어느 하나 전문적인 부분을 잡고 있기가 힘든 어려움도 있습니다. 하지만 본인이 무기로 만들 수 있는 한 분야의 전문성을 위해 끊임없이 노력하며 열린 마음으로 다른 분야의 연구자들과 협업할 수 있다면 좋은 연구 결과를 낼 수 있을 뿐만 아니라 함께 개발한 진단 영상 제제가 임상으로 가는 과정을 지켜보며 개발에 보람을 느낄 수 있고, 실제 임상 진단에 기여할 수 있는 분야라 자부심을 가지고 연구할 수 있습니다. 따라서 질병 진단 관련 의학분야에 다방면으로 관심이 있고 다양한 지식 습득에 흥미를 느끼며 여러 분야의 사람들과 공동 연구에 관심 있는 분들은 본 분야로 진학한다면 즐겁게 연구하실 수 있을 거라 생각합니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

현재까지의 저분자 진단 물질 디자인 기술과 더불어 펩타이드 기반의 나노 물질을 활용한 새로운 약물 전달 플랫폼을 디자인하고 특정 뇌질환을 조기에 진단할 수 있는 바이오 마커를 표적함과 동시에 진단 및 치료가 가능한 물질 연구를 진행할 계획입니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

우선 합성이 무엇인지도 모르는 물리과 학생에게 박사과정 내내 물질 디자인과 합성을 가르쳐 주시며 화학 지식을 심어주셨던 또 한 분의 지도교수님, 故김태정 교수님께 그리움과 감사의 마음을 전합니다. 본 연구에 도움을 주신 많은 박사님들과 무엇보다 작은 일도 아낌없이 도와준 저희 연구실 학생들에게도 감사드리며, 끝으로 항상 저를 믿고 끊임없는 사랑과 격려를 보내주시는 부모님께 감사의 마음을 전합니다.

 등록일 2020-03-19
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장용민 (경북대학교 의과대학, 경북대...)
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