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COVID-19 이외 질병에 대한 나노 기술의 잠재적 치료 효과

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메신저 (m)RNA 백신은 아직도 개발이 진행 중이지만 전세계를 강타한 팬데믹 상황에 따른 연구와 혁신의 가속화로 미래 가치를 인정받았습니다. 그러나 다른 중요 기술, 즉 mRNA를 보호하고 세포로 전달하는 지질 나노 입자(LNP)가 없었다면 mRNA 백신의 성공은 불가능했을 것입니다. 이 글에서는 지질 나노 입자 연구 동향과 COVID-19를 넘어선 나노 기술의 미래 가치를 알아봅니다.

나노 기술과 약물 전달에서의 활용, RNA 혁신을 지원하는 역할, 화장품, 농업 등의 분야에서의 활용 기회에 대한 CAS Insight 보고서를 통해 리포솜부터 지질 나노 입자로의 여정에 대해 자세히 알아보십시오.

나노 기술과 mRNA 백신의 성공과 미래

SARS-CoV-2 치료를 위해 여러 가지 백신이 개발되었으며 그중 Moderna와 Pfizer–BioNTech가 개발한 지질 나노 입자 기반의 mRNA 백신이 가장 널리 사용되고 있습니다. COVID-19 팬데믹 상황을 대처하는 데 있어 나노 기술의 중추적 역할을 잘 보여주고 있습니다. 2021년 이러한 백신이 대규모로 보급되면서 팬데믹 상황에 큰 변화를 가져왔으며 COVID-19 감염 사례가 현저한 감소세를 보였습니다.

그러나 빠른 바이러스 확산에 따라 SARS-CoV-2의 여러 가지 신종 변이가 나타났습니다. 이러한 변이는 앞으로도 계속될 것이며 이는 공중 보건에 있어 해결해야 할 큰 과제가 될 것입니다. 델타, 오미크론 등 해당 변이는 중화 항체의 기능을 감소시켜 백신 효능에 영향을 미쳤습니다. 이러한 SARS-CoV-2 변이 문제를 해결할 수 있는 열쇠가 바로 나노 기술입니다. 현재 이 목적을 위해 나노 입자, 백신 유도, 중화 항체, 중화 항체 조작, "나노 디코이"다양한 나노 기술 활용 연구가 진행되고 있습니다. 나노 디코이는 세포에서 발현된 안지오텐신 변환 효소-2(ACE2) 수용체와 상호작용하는 미끼 나노 단백질을 만들어 ACE2에 바이러스가 결합되는 것을 억제하고 숙주 세포 감염을 차단하는 방법입니다. 이러한 나노 기술 구현으로 신종 코로나바이러스 팬데믹 상황이 빠르게 종식될 수 있다면 이 열정적인 연구 노력에서 얻은 결과를 일반 감염병 등 필요한 다른 영역에 어떻게 활용할 수 있을까요?

지질 나노 입자 기술 개발

미래를 예측하기 전에 먼저 지질 나노 입자 기술의 역사를 되짚어 볼 필요가 있습니다. 이 기술의 시작은 리포솜이 발견된 1965년으로 거슬러 올라갑니다. 리포솜은 폐쇄형 지질 이중층 소포가 물 속에서 자연적으로 결합되어 만들어진 일종의 지방 캡슐입니다. 연구원들은 저분자 약물을 캡슐화하고 물에 잘 녹을 수 있도록 도와준다는 점에서 약물 전달에서의 가능성을 즉시 파악할 수 있었습니다. 이러한 물질의 40% 이상이 물에 잘 녹지 않는 성질을 갖고 있습니다. 리포솜을 처음 발견한 이래로 이 기술은 지속적인 수정과 개선을 거쳤으며 다양한 기능의 약물 전달 플랫폼과 리포솜 약물 개발을 위해 지질 나노 입자의 기능을 최적화시켰습니다.

현재 지질 나노 입자는 COVID-19 mRNA 백신의 필수 구성 요소로 주목 받고 있지만 이미 오래전부터 일반 약물로서도 성공적으로 활용되어 왔습니다. 1995년, 항암제 독소루비신의 LNP 기반 제형인 Doxil이 리포솜 약물로 최초 승인을 받았습니다. 또 다른 리포솜 약물, Epaxal은 간염 백신으로 사용되는 단백질 항원의 LNP 제형입니다. 이러한 기술 발전에 이어 2018년에는 미국식품의약국이 유전성 트렌스티레틴 아밀로이드증에 따른 다발신경성 치료를 위한 LNP 기반의 짧은 간섭 RNA, Onpattro(파티시란)를 승인했습니다. 이 중대한 업적은 나노 입자 전달에 따른 많은 핵산 기반 치료법의 임상적 개발을 위한 토대가 되었습니다. 그림 1은 지질 나노 입자 관련 주요 기술 발전 현황을 연도순으로 보여줍니다. 자세한 내용은 CAS Insight 보고서를 참조하십시오.

나노 기술 발전 현황
그림 1. 나노 기술 발전 현황
나노 기술 다이어그램

포스트 코로나 시대의 나노 기술

CAS Content Collection™은 최근 지질 나노 입자 관련 연구의 특별한 동향을 분석했습니다. 분석 결과, CAS Content Collection™에서 240,000건이 넘는 LNP 관련 과학 분야 간행물을 확인했습니다. 그중 2000년부터 2021년 사이 간행물 수가 190,000건이 넘었으며 이로써 나노 기술에 대한 관심이 증가하고 있다는 것을 알 수 있습니다. COVID-19 사례를 토대로 감염병 치료에 나노 기술을 활용하면서 이러한 관심은 더 높아질 것이며 그에 따라 나노 의약품 시장 규모가 2027년까지 1640억 달러를 넘어설 것으로 예상됩니다.

지질 나노 입자는 약물 전달 시스템 주류에서 오랫동안 그 가치를 인정받아 왔지만 기술적인 제약은 항상 존재했습니다. 리포솜은 1세대 LNP 물질로서 유기 솔벤트를 사용하는 복잡한 생산 방법이 필요하고 약물 보존 효율성이 낮으며 대규모 활용이 쉽지 않습니다. 고체 지질 나노 입자 개발, 나노 구조 지질 운반체와 같은 주요 나노 기술 발전이 이러한 문제를 극복하는 데 도움을 주지만(표 1 참조) 해결해야 할 과제는 남아 있습니다. 나노 시스템의 제조 비용, 확장성, 안전, 복잡성 문제를 모두 평가하고 잠재적인 이점을 고려하여 균형을 맞추어야 합니다. 이 기술의 현재 한계점을 극복하기 위해 현재 차세대 지질 나노 입자와 함께 기능이 강화된 보다 정교한 전달 시스템을 살펴보기 위한 연구가 계속되고 있습니다.

표 1: 지질 나노 입자의 유형: 구조와 역할

나노 기술 다이어그램

COVID-19 mRNA 백신에 나노 기술을 적용한 성공 사례는 말라리아, 결핵(TB), 인간면역결핍바이러스(HIV) 등과 같은 감염병 치료에 이 기술을 활용하려는 시도가 많아졌습니다. 나노 기술은 이러한 질병의 검출과 치료 방법을 모두 혁신적으로 변화시킬 가능성이 있습니다. 나노 기술의 다양성은 리포솜 캡슐 치료제, 중합체 나노 입자, 나노 약물 결정을 국지적 또는 시스템적으로 전달하여 지속적으로 또는 즉각적으로 배출할 수 있음을 의미합니다. 이 가능성에는 한계가 없습니다.

그러나 일부 감염병(예: HIV)에 대해서는 집중적인 연구가 진행된 반면 말라리아, TB 등의 질병은 많은 연구가 이루어지지 않고 있습니다. 연구 자금(또는 자금 부족)은 지금까지 이처럼 요구가 충족되지 않는 분야에서 나노 기술의 발전을 제한하는 요인이 되어 왔지만 이제 변화의 기류가 시작되었습니다. 존스홉킨스 연구진이 유전자 의약품 전달에 필요한 지질 나노 입자 설계를 가속화하여 프로세스의 경제성을 높일 수 있는 플랫폼을 개발하고 있습니다. 구체적인 연구 내용은 이 기술을 활용하여 간에서 생존하는 질병 유발 기생충을 표적으로 하는 말라리아 백신을 개발하는 것입니다.

나노 기술의 밝은 미래

나노 기술은 과학, 특히 의학 분야의 새로운 지평을 열었습니다. COVID-19 mRNA 백신의 전달 매개체로서 지질 나노 입자를 사용하면 연구 범위가 더 넓게 확장될 수 있습니다. 현재는 물론 미래의 충족되지 않은 요구를 해결하기 위해 정교한 다기능 나노 운반체 설계를 준비하고 있습니다.

CAS Insight 보고서로 지질 나노 입자 기술의 과거, 현재 및 미래 기회에 대한 세부적인 동향 분석 정보를 얻으십시오.

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