‘나노기술(Nanotechnology)’을 의학 분야에 적용, 질병의 진단, 치료, 예방 및 건강증진을 목표로 하는 융합 학문 분야를 ‘나노의학(Nanomedicine)’이라고 한다. 존스홉킨스대학 나노의학센터의 ‘Suk Lab’으로 연수를 다녀온 분당차병원 응급의학과 정태녕 교수가 ‘나노의학’의 현재를 들려준다.
‘나노의학’의 현장에서 보낸 16개월
저는 2022년 3월부터 2023년 6월까지, 미국 메릴랜드 주 볼티모어에 위치한 존스홉킨스병원(Johns Hopkins Hospital)의 윌머 아이 인스티튜트(Wilmer Eye Institute) 산하 나노의학센터(Center for Nanomedicine)의 ‘Suk Lab’에서 연수를 했습니다.
이 연구실은 유전자 및 약물의 정밀 타겟 전달을 위한 나노 기술을 집중적으로 다루는 곳으로, 의생명공학·임상·재료과학 등 다양한 분야의 융합연구가 활발하게 이루어지고 있습니다.
‘나노의학’ 연구원들과 찍은 단체 사진(오른쪽에서 6번째가 정태녕 교수)
유전자 및 약물의 정밀타겟 전달을 위한 나노기술
제가 주로 참여하고 참관한 연구는 다음 세 가지 분야였습니다.
1. 유전자 나노입자 전달시스템(Gene Nanoparticle Delivery System)
나노입자에 폴리에틸렌 글리콜(PEG)이라는 물질을 붙이는 기술인 ‘PEGylation‘, 인체 점액층을 뚫고 지나갈 있도록 특별히 설계된 나노입자 ‘mucus-penetrating particle, 이하 MPP)’ 플랫폼, 유전물질을 세포 안으로 안전하게 전달하는데 사용되는 폴리 베타-아미노 에스터(Poly β-Amino Ester, 이하 PBAE) 기반의 양이온성 고분자 복합체(polyplex)’ 등 다양한 소재와 구조를 활용하여 유전자 전달 효율을 극대화하는 방법론에 대해 학습했습니다. 저는 폐 조직 및 호흡기 표적 유전자 치료를 위한 전달 실험이 특히 인상 깊었습니다.
2. 초음파 에너지 집중 치료기술(FUS) 활용한 혈액뇌장벽(BBB) 개방
절개 없이 초음파로 집중 치료하는 기술(Focused Ultrasound 이하 FUS)와 ‘마이크로 버블(microbubble)’을 통해 혈액뇌장벽(Blood-Brain Barrier 이하 BBB, 외부 유해물질로부터 뇌를 보호하는 생체 방어막을 뜻함)를 일시적으로 개방하고, 폴리에틸렌 글리콜(PEG)을 결합한 PEGylated PBAE 혹은 지질나노입자(Lipid Nanoparticles) 등을 이용한 국소적 유전자 전달 실험을 관찰했습니다. 이는 뇌질환의 유전자 치료 적용 가능성을 획기적으로 넓히는 기술로 판단됩니다.
3. 아데노부속바이러스(AAV) 벡터 및 엑소좀(Exosome) 기반 전달 시스템
면역반응이 적고 다양한 세포에 적용 가능한 아데노부속바이러스(Adeno-Associated Virus 이하 AAV, 유전자 치료에 널리 사용되는 비병원성 바이러스로, 질병을 유발하지 않는 안전성이 특징) 벡터 생산과정 및 엑소좀(Exosome)을 통한 AAV 운반 전략에 대해 학습했습니다. 이를 FUS와 병합하여 BBB를 넘는 정밀한 전달 시스템으로 응용하는 연구도 인상적이었습니다.
절개없이 혈액뇌장벽을 일시적으로 개방할 수 있는 FUS를 이용해 실험하는 모습.
인상적이었던 SUK LAB의 조직문화와 협업방식
Suk Lab은 연구 환경, 조직문화, 협업 방식 등 많은 면에서 국내 기관과 다른 점들을 보여주었습니다. 먼저 다학제적 협업 시스템이 인상적이었습니다. 연구는 단일 연구책임자(Principal Investigator)나 전공자에 의해 이뤄지기보다는, 화학, 의학, 생물학, 공학 등 다양한 배경의 연구자들이 공동 목표를 향해 유기적으로 움직이고 있었습니다. 특히 존스홉킨스(Johns Hopkins)와 메릴랜드 대학(University of Maryland) 간의 외부 협업도 매우 자연스러웠고, 이를 통해 다양한 연구비와 프로젝트를 확보하고 있었습니다. 또, 포닥(Post-doc) 및 박사급 연구원이 실험 전반을 주도하면서, 연구의 정밀도와 속도가 함께 향상되고 있었습니다. 이는 우리나라의 석사 중심의 연구 체계와 비교할 때 연구 완성도 측면에서 큰 차이를 보였습니다.
존스홉킨스병원 본관의 랜드마크 ‘historic dome’ 앞에 선 분당차병원 응급의학과 정태녕 교수
연수 이후, 더 연구하고 싶은 분야
연수를 통해 습득한 지식과 기술을 바탕으로, 저는 아래와 같은 연구를 추진하고 있습니다.
1. 중추신경계 유전자 치료 플랫폼 개발
초음파 집중 치료 기술(FUS)을 이용한 혈액뇌장벽(BBB) 개방 기술과 뇌투과성 나노입자(Brain-Penetrating Nanoparticle, BPN)를 융합하여 뇌 표적 유전자 전달 시스템을 확립하고자 합니다. 이를 통해 파킨슨병이나 기타 퇴행성 뇌질환에 적용할 수 있는 연구모델을 수립할 계획입니다.
2. 엑소좀- AAV 기반의 전달 플랫폼으로 발전
면역반응을 최소화하며 정밀한 유전자 전달이 가능한 AAV 벡터를 엑소좀에 탑재하고, 이를 FUS와 병합하여 정밀 치료용 유전자 전달 플랫폼으로 발전시키는 것이 궁극적 목표입니다.
3. 중간엽 줄기세포 대상 유전자 전달 효율 향상 연구
기존 유전자 전달이 어려웠던 저분화 세포나 줄기세포(Stem Cell)를 대상으로, PBAE 혹은 AAV 기반 전달체의 효율을 극대화하는 실험을 통해 세포 치료 기반의 정밀의학 응용 연구로 확장하고자 합니다.
‘Suk Lab’ 식구들과 볼티모어 마라톤 대회에 참가하며 소중한 추억도 쌓았다. 왼쪽에서 두번째가 정태녕 교수.
이번 연수는 연구자로서 제 인생에서 중요한 전환점이 되었습니다. 기술적 배움뿐 아니라, 사람들과의 교류, 연구 환경 전반에 대해 시야가 확장되는 값진 경험을 할 수 있었습니다. 이 경험을 바탕으로, 국내 연구환경에서 실현 가능한 적용 모델을 고민하고, 병원 및 학교와 협력하여 의학과 기술이 융합된 정밀의학 연구에 매진할 예정입니다.
연수장소 : 미국 메릴랜드주, 볼티모어, 존스홉킨스대학병원 윌머 아이 인스티튜트(Wilmer Eye Institute) 산하 나노의학센터(Center for Nanomedicine)
연수기간 : 2022년 3월 ~ 2023년 6월
연구분야 : 나노의학(Nanomedicine)