한양대, 경구 투여 염증성 장질환 치료 플랫폼 기술 개발

(좌측부터) 공동 제1저자인 이연주 (생명과학과), 유채림 (생명공학과), 김경민 (생명과학과) 석박사통합과정생과 공동 교신저자인 이동윤 교수 (생명공학과), 김영필 교수 (생명과학과).

한양대학교 생명공학과 이동윤 교수와 생명과학과 김영필 교수 공동 연구팀은 약용 식물에서 추출한 엑소좀(exosome)에 치료용 면역 조절 단백질(immunoregulatory protein)을 안정적으로 탑재해, 주사제 없이 ‘경구 투여(먹는 방식)’만으로 장(腸)까지 전달할 수 있는 염증성 장질환(IBD) 치료 플랫폼 기술을 개발했다고, 5일 밝혔다.

이번 연구는 소화기관에서 쉽게 분해되어 경구 투여가 어려웠던 기존 단백질 치료제의 한계를 극복하기 위해, 약용 식물 유래 엑소좀을 전달체로 활용하고 단백질 구조를 고리형(cyclized structure)으로 재설계해 안정성과 전달 효율을 획기적으로 높였다는 점에서 의의가 있다.

면역 조절 단백질은 높은 치료 효능에도 불구하고 위산·소화 효소에 의해 용해되기 쉬워 경구 투여가 불가능하다는 문제를 안고 있었다. 연구팀은 이 한계를 해결하기 위해 항산화·항염증 활성이 우수하고 인체 독성이 낮은 나노 크기 약용 식물 엑소좀을 운반체로 채택하고, 단백질의 N·C 말단부위에 다양한 아미노산 서열을 도입해 엑소좀에 손쉽게 탑재될 수 있고 안정성이 강화된 고리형 단백질 후보군을 제작했다.

또한 인공지능(AI) 기반 구조 예측 프로그램 AlphaFold, 분자동역학 예측 프로그램 HADDOCK, molecular dynamics simulation을 활용하여 단백질의 안정성과 막투과성을 정밀 분석해 최적 구조를 도출했다. 연구팀이 실제 발현해 적용한 결과, 고리형 단백질은 복잡한 공정 없이도 엑소좀 내부로 자발적으로 침투·탑재되는 ‘자가 탑재(self-loadable)’ 특성을 보였으며, 단백질-엑소좀 복합체는 위산과 소화 효소 환경에서도 안정적으로 유지되며 장까지 효율적으로 도달하는 것으로 확인됐다.

연구팀은 치료 효능 검증을 위해 먼저 염증 모델 장 오가노이드(장기 유사체)에서 항염 효과를 확인했다. 이후 염증성 장질환 생쥐 모델에 복합체를 경구 투여한 결과, 염증 부위의 염증 수치를 크게 낮추고 손상된 장 점막 장벽을 빠르게 회복시키는 등 기존 단백질 치료제 대비 우수한 치료 효과를 보였다.

김영필 교수는 “이번 연구는 치료용 단백질의 구조를 최적화해 효능을 높이는 동시에, 기존 주사제 기반 단백질 치료제를 경구제 형태로 전환할 수 있는 새로운 플랫폼 기술을 제시한 것”이라며 “향후 다양한 염증성 질환 치료제로 확장될 경우 환자의 편의성과 치료 접근성을 크게 높일 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 선도연구센터(SRC), 중견연구자지원사업, 교육부 4단계 BK21 사업(한양 BK21-BIO4 교육연구단)의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과는 국제 저명 학술지 『Bioactive Materials』(IF=20.3)에 12월 3일 온라인 게재됐다.

해당 논문 Immunoregulatory protein-hybrid extracellular vesicles via self-loadable backbone cyclization for oral inflammatory bowel disease therapy는 이동윤 교수(공과대 생명공학과)와 김영필 교수(자연대 생명과학과)가 공동 교신저자로 참여했으며, 한양대 이연주·김경민(생명과학과 석박통합과정), 유채림(생명공학과 석박통합과정) 학생이 공동 제1저자로 참여했다. 또한 한양대 최제민 교수(생명과학과)를 비롯해 ㈜더다봄, 일릭사파마텍㈜이 연구에 함께 참여했다.

김나혜 인턴기자 kim.nahye1@joongang.co.kr

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