충북대 약대, 생체 내 약물 농도 변화 모사 플랫폼 개발

[데일리팜=강신국 기자] 충북대학교 약학대학 연구진이 개발한 생체 내 약물 농도 변화와 항종양 동물실험을 모사할 수 있는 미세유체 플랫폼 연구가 생물학연구정보센터(BRIC)의 ‘한국을 빛낸 사람들(한빛사)’에 선정됐다. 

이번 연구에는 강수정(석박사통합과정 4년) 씨와 윤문섭(박사 졸업) 씨가 공동 제1저자로, 신대환 교수가 교신저자로 참여했으며, 이번 선정으로 신대환 교수 연구실은 올해 두 번째이자 통산 세 번째로 ‘한빛사’에 이름을 올렸다.

이번 논문은 약학·생명과학 분야에서 높은 영향력을 가진 국제학술지 Advanced Science(Impact Factor 14.1)에 게재된 'Recapitulating In Vivo Pharmacokinetics and Size-Dependent Nanomedicine Delivery in a Microfluidic Platform'이다. 

기존의 정적 세포배양 모델은 약물을 일정한 농도로 노출하기 때문에 실제 생체 내에서 나타나는 약물의 분포와 소실, 시간에 따른 농도 변화, 나노입자의 크기에 따른 종양 전달 특성 등을 충분히 재현하는 데 한계가 있다. 

연구팀은 이러한 한계를 보완하기 위해 생체 내 약동학 정보를 반영한 EPR(Enhanced Permeability and Retention) 관련 미세유체 플랫폼인 ‘PE/m-platform’을 개발했다. PE/m-platform은 시간에 따른 약물 농도 변화를 조절할 수 있는 유체 흐름 시스템과 0.2μm 다공성 막을 활용한 혈관 장벽 모사 구조, 3차원 종양 스페로이드를 하나의 플랫폼에 통합한 것이 특징이다. 

연구팀은 비소세포폐암 모델과 파클리탁셀을 탑재한 고분자 미셀을 활용해 기존 3차원 세포배양 모델과 동물모델, PE/m-platform에서 나타나는 약동학적 특성, 종양 내 약물 축적 및 항암 효능을 비교·분석했다. 

그 결과 PE/m-platform은 파클리탁셀 제형에 따른 항암 효능의 상대적 순위를 동물모델과 동일하게 재현했다. 특히 200nm 미만의 미셀이 200nm를 초과하는 미셀보다 플랫폼 내 종양 구획으로 더 효과적으로 전달됐으며, 항암 효능 역시 높은 것으로 나타났다. 이러한 크기 의존적 경향은 동물모델에서도 동일하게 확인됐다. 동물모델에서 200nm 미만 미셀의 종양 내 파클리탁셀 축적량은 200nm 초과 미셀보다 약 2배 높았다.

이번 연구에는 충북대 약학대학 연구팀과 ㈜한국동물대체실험이 공동으로 참여했다. ㈜한국동물대체실험은 본 논문에 사용된 3차원 종양 스페로이드와 미세유체칩, 약동학 기반 유체흐름 시스템을 결합해 약물 및 나노의약품의 효능과 전달 특성을 평가하는 동물대체실험 플랫폼 기술을 확보하고 있으며, 관련 기술 및 연구서비스를 제공하고 있다.

또한 이번 연구에 활용된 미세유체 장치 관련 기술은 지난 3월 20일 특허등록(등록번호 제10-2942137호)을 완료했다. 앞서 2023년 7월 PCT 국제출원(PCT/KR2023/010066)을 진행했으며, 2024년 2월 국제공개(WO 2024/034888 A1)된 바 있다. 

이번에 개발된 플랫폼은 단순 세포배양 시험과 동물실험 사이에서 약물의 생체 내 노출 특성, 종양 전달 및 나노입자 제형의 효능을 통합적으로 비교·평가할 수 있는 예측형 평가체계를 제시했다는 점에서 의미가 있다. 

특히 항암제와 나노의약품의 평가 과정에서 실제 생체 내에서 나타나는 시간에 따른 약물 농도 변화와 3차원 종양 구조를 플랫폼에 구현함으로써, 보다 정밀한 항암 제형 평가가 가능할 것으로 기대된다. 나아가 신약 및 나노의약품 개발 과정에서 동물실험 의존도를 줄이고 동물대체시험법을 확대하는 데 활용될 가능성도 제시했다. 

한편, ‘한국을 빛낸 사람들(한빛사)’은 포스텍 생물학연구정보센터(BRIC)가 세계적으로 권위 있는 생명과학 분야 학술지에 우수한 연구성과를 발표한 한국인 과학자를 선정해 소개하는 프로그램이다.