암을 치료하는 그래핀

그래핀의 우수한 전기, 기계, 물리, 화학적 특성 등이 알려지면서 활용 범위는 끊임없이 발전하여 지금은 암을 초기에 발견하고 치료하는 소재로 개발되고 있다. 그래핀은 독특한 기계적, 전기적, 광학적 성질을 가지고 있고, 이는 많은 연구자들이 투명전도체, 초고속 트랜지스터를 포함하는 독창적인 전기적 물질을 개발하는데 이용되고 있다. 최근에는 그래핀의 다양한 화학적 성질을 밝혀냄으로써 이를 통해 에너지를 생산하고 저장하는 고성능의 디바이스로의 응용을 촉진시키고 있다. 

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그래핀은 전기적, 화학적 응용에서 그래핀의 소광능력과 그래핀에 의해 촉진되는 세포의 분화 및 성장, 그리고 그래핀을 이용한 레이저 탈착/이온화 질량분석기 등을 통해 이루어지고 있는 정확한 바이오 센싱과 같은 생의학적 분야에 까지 연구 영토를 확장시키고 있다. 

그래핀은 낮은 독성, biocompatibility, stability, 두께와 크기 제어, p-p 결합에 의한 표면 기능화등 우수한 물성을 이용하여 시간에 따라 약물의 제어 방출, 표적 치료, 맞춤형 치료 진단이 가능한 약물전달 시스템 개발이 활발히 보고되고 있다. 또한 암치료를 위한 mixed anticancer drugs, tumor combination Therapy, photothermal therapy 등의 연구 보고가 진행하고 있다. 

그래핀의 약물전달 시스템 및 암치료 연구 동향 및 보고는 기존에 보고된 탄소나노튜브와 비교하여 thermodynamic, optical, geometrical properties 등 유사한 결과를 보이고 있으나 그래핀이 CNT보다 분산성이 더 좋고 더 작은 크기제어에 의한 효율성, 저비용등에 의하여 약물전달 시스템 및 암치료 연구에 더 좋은 효과를 보고하고 있다. 이러한 결과는 in vitro에서의 연구뿐만 아니라 in vivo 적용에 의한 연구 결과를 기대할 수 있으며 임상에서 환자들의 맞춤형 치료효과에 의한 약물의 부작용을 최소화하고 biomedicine에 널리 적용될 것이 기대되고 있다.

나노물질

나노물질은 높은 생체 친화력, 넓은 표면적, 표면의 기능화에 따라 질병의 진단과 맞춤형 표적 치료에 다양하게 적용되고 생체분자 영상, 바이오 센서등의 연구에 활발히 응용되고 있다. 또한, 약물전달시스템은 약물을 시간에 따라 방출·흡수하도록 제어, 특정한 곳에 약물을 전달하는 표적치료, 약물의 부작용을 최소화한 맞춤형 치료 및 조기 진단을 목적으로 한다. 

그래핀을 이용한 약물 전달 시스템으로의 응용가능성은 그래핀의 낮은 독성, biocompatibility, stability, 두께와 크기 제어, 파이결합 간에 의한 표면 기능화등의 특성들을 가지고 있기 때문이다. 카본 나노물질인 탄소나노튜브나 그래핀은 암치료의 화학요법에서 multi-drug resistance 를 위한 항암치료제로의 연구와 gene co- delivered하거나 photothermal, photoacoustic, RF ablation등을 이용하여 최선의 암치료 방법을 찾기 위해 연구가 진행 중이다. 

그래핀의 약물 전달 시스템

GO 파라 아미노산 시트(Graphene oxide-para amino benzoic acid nanosheet) (GO-PABA)의 평균 크기는 100nm이였고 제타전위(zeta potential)은 34.9 (±7.03)mV 임을 증명했다. 그와 더불어, 효과적으로 테트라 사이클린(tetracycline) 약물이 탑재됨을 확인하였고 약물 방출이 효과가 있음을 연구했다. 그리고, Go-PABA에 탑재된 테트라 사이클린 (GO-PABA –tet)의 항균활동(antimicrobial activity)이 테트라 사이클린에 의한 내성 박테리아 대장균(Escherichia coli) XL-1에 대한 최소 억제 농도와 추정모드(putative mode)를 결정되는 것을 보고했다. 

이 GO-PABA-tet의 최소억제농도는 110 μg/ml 였고 약물 내성 박테리아를 치료하기 위한 훌륭한 약물 전달 시스템임을 보여준 것이다. 또한 GO-PABA는 bio-compatibility, 효과적인 물리적 약물탑재, 약물 내성 박테리아를 치료하기 위한 약물 전달 시스템 등을 포함한 복합 기능화의 기능을 가지고 있어 생물학적, 치료분야에서 응용이 기대되고 있다.

유전자 전달 

폴리에틸렌이민(PEI)은 플라스미드 DNA를 탐지할 수 있기 때문에 GO 의 표면에 정전기적 상호작용과 공유결합을 통해 도입하여 유전자 전달에 광범위하게 이용될 수 있다. 선형 PEI 와 가지형 PEI 가 공유결합 된 GO는 기존의 PEI 를 이용하였을 경우와 비교하여 낮은 독성을 가지며 높은 유전자 전달효율 나타냈다. 

항암제의 내성과 관련되어 있는 Bcl-2 라는 유전자를 표적으로 하는 siRNA 와 항암제 중 하나인 Doxorubicin (DOX) 를 HeLa 세포로 순차적으로 전달하는 연구도 PEI-GO 복합체를 이용하여 높은 치료효과를 보이며 성공적으로 수행되었다. 최근에는 키토산으로 기능화된 GO (CS-GO) 복합체를 합성하고 이를 항암제와 플라스미드 DNA 를 동시에 효과적으로 전달하는 데 적용되기도 했다. 

저분자 약물 전달 

pH에 따라 용해도가 달라지는 저분자 약물은 GO 를 이용한 pH 감응성 약물전달에 널리 사용되고 있다. DOX-GO 복합체 내의 DOX는 낮은 pH에서 용해도가 높아지기 때문에 GO 표면으로부터 pH에 감응하여 방출된다. 이러한 장점을 이용하여, DOX 와 captothecin(CPT)라는 항암제를 pH에 감응하여 동시에 전달하는 연구가 암 표적 물질인 엽산(folic acid)이 결합된 GO를 이용하여 성공적으로 이루어졌다. 

암치료를 위한 치료 방식 

항암제의 탑제 제어(controlled loading)나 표적 전달(targeted delivery)하기 위한 나노운반체로서 nanoscale graphene oxide (NGO)를 sulfonic acid groups로 기능화하였고 folic acid (FA) 분자와 공유결합한 후에 FA receptors를 가지고 있는 human breast cancer cells (MCF-7 cells)를 표적화하고자 했다. 임상 시험에서 한 가지 항암제의 치료 효과보다 두 가지나 그 이상의 복합 항암제의 치료효과가 좋았음을 고려하여 그래핀 기반 나노운반체를 이용하여 복합 항암제의 탑제 제어나 표적 전달를 이용한 치료효과를 입증했다. 이 연구는 임상에서 환자들의 치료효과를 극대화 시키고 biomedicine 응용이 기대된다. 

소수성 약물의 효과적인 전달을 위해서 가지형 폴리에틸렌글라이콜(6-arm PEG)로 기능화된 나노 크기의 GO는 높은 세포 내 흡수와 치료효율을 나타내면서 암세포 주에 성공적으로 적용되었다. 또한, 나노 크기의 GO 유도체들은 높은 근적외선 흡수능력을 이용하여 광열치료에 이용될 수 있는데 PEG-GO 를 이용하여 암을 이식시킨 쥐 실험모델에서 높은 치료효과를 보였다. 

최근에는 이러한 유도체들의 광열치료 효과가 산화 스트레스, 미토콘드리아성 감극, 그리고 caspase 활성화 결과로 일어나는 세포고사성(apoptotic), 괴저성(necrotic) 세포 사멸에 의해 일어나는 것이라고 밝혀졌다. DOX 의 전달체로서 PEG-GO 를 사용하여 광열치료와 화학치료를 조합시키는 치료 방법, 엽산이 결합된 PEG-GO에 포피린 감광제를 탐지하여 암을 표적화하여 광열 치료 및 광동력학 치료 조합시키는 치료 방법, 그리고 저분자 약물/그래핀/TiO2 나노하이브리드를 이용한 광열 치료 및 광촉매 치료 방법 등 다양한 조합 치료에 의한 치료효과 극대화가 이루어 질 수 있다. 

그래핀의 항박테리아 효과

GO 와 RGO 페이퍼들은 표면에서 박테리아의 증식을 저해하는 것으로 나타났다. 이는 그람 양성균과 음성균 모두에서 효과적이고, RGO가 박테리아 세포들에서 더 효과적인 전하 전이를 할 수 있기 때문에 항박테리아 효과가 GO 보다 더 높은데, 이러한 그래핀 유도체의 항박테리아 효과 산화 스트레스에 의한 세포막 파괴가 주된 원인이다. 한편, 다른 보고에 의하면 그래핀 표면에서 박테리아 성장을 저해하기 보다는 증대시킨다는 보고가 있다. 이러한 대조적인 결과들은 GO 위에서의 박테리아 성장이 다양한 실험조건에 의하여 다르게 나타날 수 있음을 나타낸다. 

세포 배양을 위한 지지체로서의 그래핀 

그래핀 유도체들은 세포 배양을 위한 기질로 이용될 수 있다. GO, RGO, 그리고 탄소나노튜브(CNT) 와 같은 여러가지 탄소 나노물질로 코팅된 기질들 위의 NIH-3T3 섬유아세포를 관찰한 결과, 높은 생체적합성과 뛰어난 유전자 전달 효율을 보여주었다. 그래핀/키토산 하이브리드 필름들은 조직의 기능을 향상시키거나 복구하는 조직공학 분야에 적용되기 유망한 물질로 여기어지고 있다. 흥미롭게도 신경계의 발아와 성장 또한 기존의 폴리스타이렌으로 된 조직세포 배양 플레이트와 비교하여 그래핀 표면 위에서 촉진되는 것으로 알려졌다 (그림 6. GO와 RGO 에서의 E.Coli 성장 저해). 

줄기세포의 분화에 응용 

줄기세포는 지속적으로 성장하고 새로이 개체를 발생시킴으로써 장기와 조직의 자가치료를 위해 원하는 세포 주로 분화할 수 있기 때문에 살아있는 유기체에서 생물학적으로 매우 중요하게 여기어지고 있고, 재생 의학에서 줄기세포를 이용한 줄기세포치료는 혁신적인 치료방법으로 알려져 있다. 줄기세포를 원하는 세포 주로 분화시키는 것은 줄기세포 연구에서 중요한 연구 주제 중 하나이다. 

그래핀의 생체적합성과 전기전도성 때문에 줄기세포 배양과 분화연구에 이용되고 있다. 최근에는 분화과정에서 그래핀이 전기 자극 시에 전기신호 전달효과가 있는 세포 접착층으로 작용할 수 있기 때문에 그래핀 표면 위에서 인체 간엽 줄기세포(human mesenchymal stem cell) 의 뉴런 분화가 증대됨이 보고되었고, 일반적인 성장인자와 비교하여 골(osteogenic) 분화를 더 향상 시키는 것으로 알려졌다. 

그러나 근본적인 분화 매커니즘은 아직 잘 알려지지 않고 있다. 그래핀과 GO 는 줄기세포 분화에 있어 차이를 나타내고 있는데, GO 보다 그래핀에서 골(osteogenic) 분화는 촉진되고 지방 분화는 억제된다고 한다. 이는 여러 화학적 기능화에 의해 조절할 수 있는 그래핀과 GO 간의 표면 성질 차이로 인해 생기는 표면과 성장인자간의 상호작용이 각각 다르게 나타나기 때문으로 알려져 있다. 

흑연(Graphite)의 산화를 이용한 화학적 박리를 통해 얻을 수 있는 산화그래핀(GO)는 뛰어난 수용성, 양친매성, 손쉬운 표면 기능화, surface enhanced Raman scattering (SERS) 및 형광 소광 능력 등의 특성을 가지고 있기 때문에 생물학적 응용에 유망한 물질로 평가되고 있다. 더욱이, 화학적 증착법(CVD)에 의해 만들어진 대면적 그래핀은 소수성과 유연성을 가지고 있기 때문에 세포성장과 분화에 중요한 역할을 수행할 수 있다. 

하지만, 그래핀 유도체들의 물리화학적 성질들에 대한 분류 표준들이 아직 마련되어 있지 않기 때문에 이러한 그래핀 유도체의 생물학적 응용은 어려움을 겪고 있다. 그러므로, 효율적인 그래핀 기반 바이오센서를 개발하기 위해서는 그래핀의 독특한 특성들은 최대한 유지하면서 생체 조건하에서 안정하게 생물학적 기능화를 이루어 내는 것이 필요하다.

그래핀 유도체의 표준화와 세포와 그래핀 유도체간의 상호작용에 대한 분명한 이해를 위한 그래핀의 생물학적 기능화 연구를 정립하는 것이 그래핀 기반의 치료제 개발에 있어서는 매우 중요하다는 것이다. 비록 해결해야 할 과제들이 남아있지만, 그래핀 유도체에 대한 전도유망한 결과들은 그래핀 유도체들의 생의학적 연구에 있어서 큰 가능성을 향한 중요한 밑거름이 될 것이다.

박종천 객원전문기자 _ 레이딕스텍 부사장