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<자료문의> 부경대학교 화학과 곽민석 교수(051-629-5595) 영남대학교 의생명공학과 진준오 교수(053-810-3033)
면역증강제 포함된 핵산나노입자로 면역세포 활성화 HIV 감염환자의 혈액에서 수지상세포 자극, 항바이러스 단백질 분비 유도

□ 한국연구재단은 곽민석 교수(부경대학교)·진준오 교수(영남대학교) 연구팀이 면역활성 유도 핵산나노입자를 개발했다고 밝혔다.

○ 인체면역결핍바이러스(HIV) 감염환자의 면역세포가 외부 침입물로 인식할 합성 핵산분자를 제작, 면역세포를 활성화 시키고 감염된 세포를 제거한다는 전략이다.

□ 인체면역결핍바이러스에 감염되면 면역체계가 손상되어 병원균침입에 취약하다. 따라서 바이러스를 제거하며 손상된 면역체계를 회복하는 것이 중요한 과제이다.

□ 연구팀은 구(球)형으로 자가조립될 수 있는 지질핵산염기에 면역세포를 활성화하는 면역증강 서열이 결합된 지질 DNA 분자들이 뭉치는 원리로 직경 약 14 나노미터(10억분의 1 미터)의 면역증강 핵산나노입자를 설계, 합성했다.*

※ HIV 바이러스의 크기는 약 100 나노미터

□ CpG* 라는 특징적인 염기서열을 가진 핵산에 의해 활성화되는 면역세포 수용체를 이용했다. CpG에 의해 활성화된 항원제시세포*가 T 림프구*를 자극하여 감염을 막는다는 전략이다.

※ CpG 염기서열 : 병원균이 가진 핵산 서열로 수용체가 인식하여 포유동물의 면역체계 활성화를 유도하는 물질.

※ 항원제시세포(Antigen presenting cell) : 병원체의 특징(단백질 등 생체분자)을 면역계의 다른 세포들이 인식하도록 표면에 표시하는 면역세포(수지상세포, 대식세포)

※ T 림프구 : 항원 제시 세포로부터 활성 유도되어 항원을 함유하고 있는 병원균을 선택적으로 사멸시켜는 면역세포

□ 면역세포를 자극할 CpG 염기서열을 가진 핵산에 지질이중막 구조의 세포막을 효과적으로 통과할 수 있도록 인공 지질구조를 더한 지질핵산 나노입자를 설계했다.

○ 기존에도 CpG 면역증강제를 리포좀 등 약물전달체에 결합시킨 시도가 있었지만 효과적 전달이나 세포유입에 한계가 있었다.

□ 연구팀이 만든 지질 핵산 나노입자는 자가조립 성질을 가져 약물전달체가 필요 없고 여러 지질 핵산이 마이셀* 모양으로 응집한 작은 나노구조를 균일하게 만드는 것이 특징이라고 설명했다.

※ 마이셀(Micelle) : 미세상분리(micro-phase separation)에 의해 소수성 작용기는 소수성끼리, 친수성 작용기는 친수성끼리 뭉치려는 현상에 의해 만들어지며 일반적으로 구형의 모양이다.

□ 인체면역결핍바이러스 감염 환자의 혈액을 이용해 이 나노입자의 면역세포 활성화 능력과 항바이러스 효과를 확인했다. 환자 혈액에 있는 백혈구의 활성을 유도하는 한편 바이러스에 대항하는 특화된 수지상세포를 자극하여 바이러스와 싸울 수 있는 사이토카인 단백질이 대량으로 분비될 수 있도록 한다는 것이다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업 등의 지원으로 수행된 이 연구성과는 바이오 소재 분야 국제학술지 ‘바이오머티리얼스(Biomaterials)’에 8월 27일 게재(온라인)되었다.

주요내용 설명

<작성 : 부경대학교 곽민석 교수>

논문명	Carrier-free micellar CpG interacting with cell membrane for enhanced immunological treatment of HIV-1
저널명	Biomaterials
키워드	DNA nanotechnology, DNA micelles, Dendritic cells, Natural killer cells, Anti-HIV
DOI	10.1016/j.biomaterials.2021.121081
저 자	곽민석 교수(교신저자/부경대학교), 진준오 교수(교신저자/영남대학교), 김해주 박사과정(제1저자/부경대학교), 장웨이(Wei Zhang)(참여저자/푸단대학교), 황주영 박사과정(참여저자/영남대학교), 안은경 석사과정(참여저자/영남대학교), 최열교 교수(참여저자/고려대학교), 문은영 연구원 (참여저자/한국기초과학지원연구원), 마크 로즈닉(Mark Loznik)(참여저자/RWTH아헨공대), 허양훈 박사(참여저자/한국기초과학지원연구원), 안드레아스 헤어만(Andreas Herrmann)(참여저자/RWTH아헨공대)

1. 연구의 필요성

○ HIV 감염 치료법 중 항바이러스 치료법은 가장 중요한 치료법으로, 국내에서도 다양한 약제들의 조합으로 항바이러스 병용 치료가 활발하게 사용되고 있다.

○ 현재의 치료법으로는 HIV 감염의 완치는 불가능하여, 그저 바이러스를 억제하고 면역기능을 회복시켜 유지시키는 등의 치료로 사망률을 감소시키는데 목적을 두고 있다. 따라서 손상된 면역체계를 회복시키고, 잠복되어 있는 바이러스를 근절하는 등의 치료제 개발이 필요하다.

2. 연구내용

○ HIV 치료를 목적으로 면역활성제인 CpG 서열을 포함하는 핵산 기반 나노 구조를 사용한다. 개발한 면역증강 핵산나노입자(U4CpG)는 생체 내의 세포막과 강한 상호작용을 하여, 면역세포에 전달된다는 것이 컴퓨터 시뮬레이션과 세포 실험을 통해서 입증되었다.

○ HIV 감염 환자의 백혈구에 면역증강 핵산나노입자를 처리한 결과 제1형 인터페론(IFN-α, IFN-β1)의 분비를 유도하고, 형질 수지상 세포의 표면 활성 단백질 발현을 유도하는 것으로 확인되었다. 또한, 혈질 수지상 세포 활성은 자연 살해세포의 활성을 유도하여 인터페론-감마(INF-γ)의 분비를 촉진하였다.

○ 면역증강 핵산나노입자가 유도한 면역 세포 활성은 결과적으로 HIV 감염 세포에서 HIV 항원 단백질의 발현을 감소시킨다는 것을 확인하여 세포내외의 HIV를 제거할 수 있다는 결과를 도출하였다. 또한, 유전자에 잠복되어 있는 HIV를 강제적으로 발현 시켜 잠복 HIV를 활성으로 전환 (latency reversal) 시키는 효과가 있다는 것도 확인되었다.

3. 기대효과

○ 개발한 면역증강 핵산나노입자의 구성물질인 지질 핵산은 면역증강제를 면역세포로 전달하는데 용이할 뿐 아니라 생체친화적 화학구조로 이뤄져 생체 독성이 적다.

○ 면역증강 핵산나노입자는 에이즈가 발병되어 면역체계가 무너진 환자 에게서도 면역 세포들의 활성을 유도하였고 그 활성으로 HIV를 사멸시키는 것이 확인되었다. 따라서 본 결과로 에이즈가 발병된 환자의 면역 체계를 회복함과 함께 HIV를 사멸 시킬 수 있을 것이라고 기대할 수 있다.

○ 면역증강 핵산나노입자는 바이러스 치료를 위한 다양한 면역활성을 유도 하는 것으로 확인되어 HIV 뿐 아니라 코로나 바이러스에도 효과가 있는 치료제로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 신규 핵산나노입자를 코로나 바이러스 백신으로도 개발 가능할 것으로 기대되며 지속적인 연구를 수행하고 있다.

그림 설명

(그림1) 면역증강 핵산나노입자의 HIV 대항 면역활성 전략 모식도

자가조립되는 지질핵산과 면역세포 활성화를 유도할 면역증강제로 구형의 나노입자를 제작하였다. 이 입자는 HIV 감염환자의 면역세포에 전달되어 면역세포의 활성화를 유도하고, 활성화된 면역세포에서 제 1형 인터페론과 인터페론 감마 등 사이토카인을 분비하여 바이러스를 제거하고 HIV의 잠복기를 전환(증상이 호전됨)시킨다.

그림설명 및 그림제공 : 부경대학교 곽민석 교수

(그림2) 지질 DNA 면역활성 분자의 세포막 상호작용 분자 동역학 연구 (동영상)

면역활성 DNA 염기서열(빨강)의 말단에 소수성의 지질 작용기(파랑)를 가진 지질 DNA 분자는 미세상분리의 원리로 구형의 나노입자로 자가조립한다. 또한 컴퓨터를 사용하여 분자동역학 계산을 실시한 결과, 인산지질로 구성된 세포막에 끼어드는 성질이 있어 약물전달에 뛰어난 효과를 나타내는 것으로 알려졌다.

그림설명 및 그림제공 : 부경대학교 곽민석 교수

(그림3) 핵산나노입자의 면역세포 활성화 및 HIV 제거와 잠복기 전환 효과

HIV 감염환자에서 얻은 세포실험에서 면역세포의 활성화로 수지상세포에서 제 1형 인터페론이, NK 세포에서 인터페론 감마가 분비된다. 그리고 활성화된 면역세포로 인해 HIV의 제거가 일어나고, 더 나아가 HIV 잠복기 전환도 일어난다. 이러한 효과는 면역증강제만 사용했을 때 보다 면역증강 핵산나노입자를 사용했을 때 더 높게 나타난다.

그림설명 및 그림제공: 영남대학교 진준오 교수

연구 이야기

<작성 : 부경대학교 김해주 박사과정>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

선행연구에서 지질 핵산을 사용하여 핵산나노입자를 제조하였으며, 이 입자에 면역증강제와 암의 항원을 부착하여 동물(쥐) 실험에서 면역활성 효과와 암 치료 효과가 있다는 성과를 얻을 수 있었다. 그러나 암 치료 외에 바이러스 퇴치 목적으로 핵산나노입자를 개발하자는 의견이 있었으며, 논의 끝에 새로운 면역증강 항바이러스 핵산나노입자를 개발할 수 있었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

선행연구에서 사용한 핵산나노입자의 경우, 입자에 면역증강제와 암의 항원을 부착하는 과정이 필요했다. 그러나 다른 물질들을 따로 입자에 부착하는 과정 없이 단일 분자로 핵산나노입자를 형성하면서 면역활성 효과를 나타내는 물질을 제조하고자, 지질 핵산에 면역증강제를 연결한 물질을 개발했다. 그 결과 개발한 단일 물질 자체로 약물전달체 없이 면역증강제만을 포함하는 핵산나노입자를 제조할 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

에이즈 환자의 혈액을 이용하여 실험을 하다 보니 공동연구를 수행했던 상해공중보건관리 센터(감염병 전문의료기관)에서 실험을 수행 할 수 밖에 없었으며, 실험 또한 BL3( 생물안전실험실 등급 3) 실험실에서 진행되어 많은 어려움이 있었다. 그 외 사람 혈액을 사용하여 실험을 하다 보니 실험시간을 조율하기 어려워 늦은 시간이나 새벽에도 실험을 진행해야 하는 상황이 빈번하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

HIV 치료의 어려움 중 하나는 HIV가 완전히 제거되지 않고 되살아나는 것이다. 이를 위해 잠복되어 있는 HIV를 재활성화하여 바이러스를 완전히 제거하는 방법이 새롭게 개발되고 있다. 하지만 이러한 치료법을 사용하기 위해서는 바이러스를 제거하는 약물과 재활성화하는 약물 등 여러 약물들을 조합하여 사용해야 한다. 또한 이들 약물들을 전달할 수 있는 기술에 한계점이 있으며, 약물의 독성 또한 문제가 된다. 그러나 이번 연구에서 개발한 면역증강 핵산나노입자의 경우, 생체친화적인 재료로 이루어져있어 생체 독성이 낮고 면역증강제 전달 능력 또한 뛰어나다. 그리고 이 물질 자체로 면역 활성화를 통해 바이러스를 제거하고 잠복되어 있는 바이러스를 재활성화시키는 등의 효과가 있다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

HIV에 대한 항바이러스 치료제로 제한하지 않고, 다양한 바이러스를 대상으로 항바이러스 효과를 나타내는 핵산나노입자를 제조하는 것이 가능할 것으로 기대하고 있다. 그러나 HIV 감염 환자의 샘플(본 연구에서는 혈액)을 얻는 것에 어려움이 있었다. 그렇기 때문에, 보건복지부나 질병 관리청과 같은 부서의 도움이 있다면 실제 바이러스 감염 환자를 대상으로 하는 임상 실험 등으로 더 정확한 데이터를 얻어 실용화 할 수 있을 것으로 기대된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

개발한 핵산나노입자가 HIV에 대해 우수한 항바이러스 효과가 있다는 것을 입증했으므로, 세계적으로 큰 이슈인 코로나 바이러스 치료 및 예방에 목적을 두고, 이 기술을 활용할 수 있는 방향으로 연구를 진행 중이며 여러 기관과 협력할 계획이다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

본 연구를 수행하기 위해 중국에 있는 푸단대학교 소속 상해 공중 보건 관리 센터로 파견을 갔다. 병원이 너무 외진 곳에 위치한 탓에 병원 밖은 나가기 힘들어 병원식당에서 주로 식사를 할 수 밖에 없었고, 중국 현지 음식에 적응하지 못하여 고생한 기억이 있다. 그리고 한여름 더운 날씨에 고생을 했으나 마침내 연구결과가 논문에 게재되어 기쁘다.

연구자 소개

<곽민석, 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 부경대학교 화학과

○ 전 화 : 051-629-5595

2. 학력

○ 2007 ~ 2011	네덜란드 Groningen대학교 박사 (고분자화학)

○ 2006 ~ 2007	독일 막스플랑크 고분자연구소 연구원

○ 2006	아주대학교 화학과 학사, 석사 (유기화학)

3. 경력사항

○ 2013 ~ 현재	부경대학교 화학과 조교수, 부교수, 교수 (BK21 대학원 4차산업융합바이오닉스 학과 겸임)

○ 2017	한국 고분자학회 신진학술상

○ 2011 ~ 2013	하버드의대 Wyss 연구소, Dana-Farber 암연구소 Research Fellow

○ 2011	네덜란드 과학재단(NWO) Rubicon fellowship 수여 (rank 1/122)

4. 전문분야 정보

○ 생체소재, 생체이미징(핵산나노소재, 고분자), 나노물리화학

5. 연구지원 정보

○ 2014 ~ 현재	과학기술정보통신부‧한국연구재단: 미래소재디스커버리사업, 신진연구지원사업, 중견연구지원사업, BK21plus 교육연구단

○ 2014 ~ 현재	극지연구소 PAP 사업, 한국기초과학지원연구원 국산 고도화장비 활용사업, 중소기업벤처부 산학협력사업

<진준오, 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 영남대학교 의생명공학과

○ 전 화 : 053-810-3033

2. 학력

○ 2009         동아대학교 의학박사 (생화학)

○ 2007         동아대학교 의학석사 (생화학)

3. 경력사항

○ 2018 ~ 현재  영남대학교 의생명공학과 조교수

○ 2018 ~ 현재  Shanghai Public Health Clinical Center (상해 공공보건의료센터), Fudan University 자문교수

○ 2013 ~ 2018  Shanghai Public Health Clinical Center, Fudan University 부교수

○ 2011 ~ 2013  The Forsyth Institute, Harvard Medical School, 박사후연구원

4. 전문분야 정보

○ 면역학(체내 수지상 세포와 T 림프구 활성 연구, 신규 면역증강제 개발)

5. 연구지원 정보

○ 2019 ~ 현재  과학기술정보통신부‧한국연구재단 신진연구지원사업

○ 교육부‧한국연구재단 중점연구소지원사업

<김해주, 제1저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 부경대학교 4차산업융합바이오닉스공학과

○ 전 화 : 051-629-5595

2. 학력

○ 2018 ~ 현재 부경대학교 박사 과정 (4차산업융합바이오닉스공학과)

○ 2012 ~ 2018 부경대학교 학사, 석사 (화학과)

3. 경력사항

○ 2014    바이오모드 (BIOMOD) Bronze 수상

4. 전문분야 정보

○ 생체소재 (핵산나노재료)