Abstract

Recently, the advance of nanotechnology shows a promising future in medical industry fields as a leading technology of the 21st century. Nanomedicine, a part of nanotechnology, refers to highly specific medical application at the molecular levels for treating diseases or repairing damaged tissues. Nanomaterials are amorphous or semi-crystalline structures with at least one dimension ranging between 10-100 nm. Nanomaterials offer several advantages as therapeutic and diagnostic tools due to various sizes, large surface area, and ease of surface modification with multivalent ligands from biological components such as peptides, drugs, targeting biomarkers, etc. Most biomedical nanomaterials require high specificity and sensitivity, which are typically achieved by conjugation of targeting ligands or imaging agents, for improved affinity (avidity) and targeting efficiency. To realize the nano-bio-medical industry, the biocompatibility of nanomaterials is important for clinical purpose such as drug delivery, diagnosis and theragnostic tools with in vivo molecular imaging. The unique physical and chemical characteristics of these nanomaterials have been specifically optimized in order to minimize any potential cellular toxicity and unexpected immune responses. To develop more practical nanomaterials for clinical system, it is necessary to understand the accurate pharmacokinetic information (absorption, distribution, metabolism, and elimination; ADME). In the near future, nanotechnology is expected to be applied to the diagnosis and treatments associated with personalized medicine. Nanomedicine will accelerate the early diagnosis of disease progress or its chronic symptoms, and will reduce the mortality of various diseases through personally managed treatment. These nanomedicine technologies are expected to build up a new platform utilizing innovative technology in the full scope of medical application from prevention to final remedy.


I. 들어가는 말


  나노의학(nanomedicine)은 나노기술을 이용하여 질병을 진단, 치료하거나 손상된 조직을 복구하는 등 나노 크기의 분자수준으로 개발된 입자나 이를 기반으로 하는 기술을 의학에 접목한 융합기술을 의미한다[1]. 나노의학은 나노바이오센서, 나노영상, 나노약물전달체, 나노조직공학, 나노기기 등 다양한 분야에 활용될 수 있다[2]. 또한 이러한 나노기술은 아직은 입자나 기술의 물성 연구를 주요대상으로 하는 초기단계의 연구가 큰 비중을 차지하고 있지만, 점차적으로 암, 치매, 심혈관질환, 관절염 등 난치성 질환의 조기진단 및 치료의 난제를 극복 할 수 있는 돌파기술로 부상하고 있으며, 이와 관련된 초기 임상시험이 활발히 수행되고 있다.

임상적용이 가능한 나노의학을 개발하고 유망기술로 발전시키기 위해서는 나노의학 기술의 체계적인 시험, 안전성 평가, 상용화 등을 통해 여전히 문제점으로 지적되고 있는 나노물질의 독성 등의 이슈를 해결하고 기술의 안전성과 생산성 등을 재고해야 할 필요가 있다[3-4]. 미국의 경우, 1998년부터 연방정부 차원에서 나노기술 개발전략(National nanotechnology initiative)을 수립하고 그 일환으로 나노의학 연구를 지원하고 있다. 또 미국국립보건원(National Institutes of Health, NIH)은 5가지 주요 로드맵 중 하나로 나노의학을 지정하고 생체적합물질(물질-조직계면, 생체친화성물질 등), 소자(생체센서, 연구용 기구 등), 치료(약물 및 유전자물질전달) 분야를 선정하여 연구를 추진함으로써 나노의학 관련분야에 집중적으로 연구비를 투자하고 있다. 나노의학의 세계적 시장 규모는 2005년 106억 달러에서 2015년 1,800억 달러로의 급성장이 예상되며, 이러한 상황 아래 나노바이오 기술을 기반으로 하는 다기능성 나노입자를 이용한 진단 및 약물전달시스템이 전 세계적으로 활발하게 개발되고 있다[5-6]. 이 글에서는 향후 비약적인 발전이 기대되는 나노의학의 현황과 미래에 대해서 간략하게 소개하고자 한다.

II. 몸말


  나노기술(Nano Technology, NT)은 원자나 분자 정도의 작은 크기 단위에서 물질을 합성하고, 조립, 제어하며 그 물질의 성질을 측정, 규명하는 기술을 말한다. 나노는 난쟁이를 뜻하는 고대 그리스어 나노스(nanos)에서 유래한 말로 10억분의 1을 의미하는 단위에 해당한다. 물질의 크기가 나노미터 스케일로 작아짐에 따라 해당 물질이 벌크(bulk)한 크기에서 보이는 특성과는 다른 방향으로 우수한 특성을 가지는 성질을 이용하여 여러 방면에 걸쳐 유용한 응용방법의 개발이 가능하다. 나노의학이란 나노기술을 활용하여 100nm 크기 이하의 다기능성 나노입자의 물적 특성을 의학에 이용하는 것을 말한다[7].

미국, 유럽 등에서는 2000년대부터 나노기술의 중요성을 인식하고, 나노연관기술 분야에서의 미래 산업 경쟁력의 우위확보 및 부가가치 극대화를 위해 장기적인 국가종합계획을 마련하여 기술개발을 추진하고 있다. 국내의 경우 2001년부터 나노기술 종합발전계획과 나노기술 개발촉진시행 법안을 수립하여 국가 차원에서 나노기술의 연구개발을 육성할 수 있는 틀을 마련하였다. 이 중, 의학 및 생물학적인 관점에서 활용 될 수 있는 나노입자의 종류는 매우 다양하게 존재하며, 나노입자의 크기 및 물적특성, 표면 처리 등에 따른 세포내 분포의 차이 등을 이용하여 다양한 분야로 개발이 가능하다. 그러므로 의료기술이나 연구방법의 개발에 나노기술을 활용하기 위해서는 나노입자의 물리 화학적 특성을 정확히 파악하고, 적절한 입자를 선택하는 것이 필수적이다(Figure 1).

크기를 비롯하여, 표면의 성질 등 나노입자의 물리적인 특징은 결국 생화학적, 생리학적, 약리학적 용도에 따라 다양한 적용에 대한 기본적인 개념이 되기 때문에 나노입자를 응용하여 새로운 기술을 연구하기 위해서는 입자의 물성에 대한 연구 또한 지속적으로 수행되어야하는 부분이다.

의학에서 나노입자의 응용
나노의학 기술을 실현함에 있어서 연구개발의 순서는, 우선 나노미터 수준의 물질이 가지는 여러 가지 화학적, 물리적, 생물학적 특성에 관한 복합적이고 심도 깊은 연구가 선행되어야 하고, 그 다음으로는 보다 효과적인 특성을 가지는 나노물질을 개발해야하며, 마지막으로 임상에 유용한 기술로 개발하기 위해서는 생화학적, 생리학적, 의학적인 연구가 복합적이고 다각적으로 진행되어야 한다.

이러한 나노기술이 의학적으로 응용되는 예로는 진단 및 치료용 등으로 약물이나 유전자 등을 전달하는 기술이 대표적이며, 병원체를 탐지하거나 질환 특이적 마커의 표적화 기술에도 다양하게 접목시켜 볼 수 있다. 또한 나노물질의 물적 특징을 이용한 재생공학 및 조영제 등으로의 활용도 가능하다(Figure 2). 보다 다양한 분류가 가능하겠지만 현재 중점적으로 연구되고 있는 나노의학기술은 주로 약물전달, 정밀탐지, 분자영상 및 재생공학 등으로 분류될 수 있으며, 각각의 분야에서 상당한 수준의 기술향상을 이루어 영상이나 약물전달 등은 임상에 접근하기 위하여 많은 노력을 기울이고 있으며, 재생의학이나 정밀탐지 분야도 최근 많은 관심을 받으며 급속히 연구가 진전되고 있다.

나노입자를 이용한 기술이 나노메디신(nanomedicine)이라는 분야로 자리 잡으면서 중점적으로 연구되고 있는데 이에 해당되는 대표적인 기술들을 살펴보자.

나노약물전달(nano-delivery)
나노바이오 기술의 발전과 더불어 다기능성 나노입자를 이용한 특정 세포로의 약물전달이 크게 관심을 끌었는데, 이러한 연구결과를 바탕으로 약물의 부작용을 최소화하며, 보다 효과적으로 약물을 전달할 수 있는 기법인 나노약물전달기술이 개발되었다[8-10]. 현재까지 미국 FDA 허가를 받은 제품은 Doxyl® (독소루비신 함유 나노리포좀)과 Abraxane®(패클리탁셀 함유 알부민 나노입자) 등 생체 분해성 나노입자를 이용하는 약물이 있으나, 이들 입자는 타겟인 암을 선택적으로 추적하는 기능을 가지고 있지는 않으며, 나노입자 크기에 의해 수동적으로 추적하는 EPR(Enhanced Permeability & Retention)효과를 이용하는 것이다. 이러한 약물전달시스템 연구의 대표적인 예로는 인산칼슘 나노복합체(CaP Hybrid Micelle)등이 있다[11-14].

양자점(Quantum Dot), 금 나노입자(Gold nanoparticle), 덴드리머(Dendrimer) 등 다양한 나노입자가 진단, 치료제로 개발되고 있으며, 주입 후 생체 내 축적 등으로 인해 잔존 입자가 일으킬 수 있는 독성문제 등 해결해야 할 문제점이 아직 있음에도 불구하고, 나노물질을 이용한 약물전달기술은 약효를 획기적으로 향상시킬 수 있으며, 약물이 표적에 집중되는 효과뿐 아니라 나노입자의 크기에 따라 필요한 시간동안 약물이 생체 내에 머물 수 있게 함으로써 치료효과를 극대화하는 것이 가능하게 되었다(Table 1).

이러한 약물전달연구는 상당히 오랜 역사를 가지고 있으면서 나노입자가 의학적 용도를 찾게 되었던 시작점이 되다시피 하였는데, 표적항암제 개발 등으로 대표되는 나노약물전달기술은 현재도 나노메디신 개발의 중심이 될 만큼 연구도 활발하고 후보물질을 비롯한 응용기술도 많이 개발되어 있다.

나노센싱 (nano-sensing)
  나노입자는 그 크기와 입자의 고유한 특성에 따라 상대적으로 넓은 표면적을 가지고 있어 타켓 물질을 합성하기 용이하고, 하나의 입자에 다양한 물질의 합성이 가능하게 함으로써 그 표적능을 높일 수 있다. 이러한 특성을 이용한 다양한 나노입자들이 나노센싱의 의학적 적용에 활용되고 있다(Figure 3)[15].

나노입자의 경우 위에서 기술한 특징으로 인해 타겟에 부착되는 표적물질이나 측정용 신호를 제공하는 표지물질들을 수십 혹은 수백 개를 입자 하나의 표면에 부착시키는 것이 가능하기 때문에 미량의 생화학적 요소를 크게 증폭하여 진단하거나 탐지하는 기술로 응용이 가능하다. 또한 기존의 진단이나 탐지기술에 비해 정밀성과 감수성을 높일 수 있으므로 진단에 필요한 시료의 양도 크게 줄어들 수 있는 장점이 있다. 이러한 나노기술의 발전으로 기존의 진단 장비의 민감성과 효율성을 향상 시킬 뿐만 아니라 적은 양의 시료에서도 특이적으로 진단을 검출해 낼 수 있는 기술이 개발되고 있다. 또한 다기능성 나노입자를 활용하면, 하나의 물질을 통해 다양한 검사들이 한 번에 수행될 수 있으므로, 검사과정이 신속하고 간소하게 변화되고, 비용대비 효율성이 커지는 효과를 기대할 수 있다. 이는 기존의 검사장비로는 측정이 불가능하거나 매우 복잡하고 오랜 시간이 걸리던 진단검사도 훨씬 빠르고 정확하게 수행될 수 있음을 의미한다.

질병관리본부 국립보건연구원에서도 생물테러 등의 상황에 이용될 가능성이 커서 신속한 진단이나 탐지가 요구되는 고위험병원체 탐지기법을 나노센싱 기술을 이용하여 개선하는 연구를 진행하고 있다. 기존의 진단법으로 흔히 사용되는 ELISA 기법을 기반으로 나노기술을 접목시킨 이 방법은 효소에 의한 형광검출신호 발생 대신 입자 표면에 형광 신호를 대량으로 증폭하도록 설계된 금 나노입자에 의해 민감한 신호까지 탐지해내는 올리고핵산면역분석법(Gold anoparticle-signal enhanced oligonucleotide-linked immunosorbent assay, GNP-OLISA)으로, 형광 증폭반응에 의한 높은 민감도뿐만 아니라 진단율에서도 항원-항체 반응에 기반하는 높은 특이성을 보인다(Figure 4). 이처럼 나노센싱 기법의 도입은 현재 사용하고 있는 진단기술의 검출적 한계 극복을 위한 새로운 패러다임을 다양하게 제시할 수 있을 것으로 기대된다[16].

나노분자영상 (nano-molecular imaging)
  나노의학기술을 실현함에 있어서, 우선적으로 나노미터 수준의 물질이 가지는 여러 가지 생화학적, 물리적, 생물학적 특성의 복합적이고 심도깊은 연구가 선행되어야 한다. 보다 효과적인 특성을 가지는 물질을 개발하고 임상에 적용하기 위해서는 생체 내에서의 동태학적 정보(absorption, distribution, metabolism, and elimination, ADME)에 대한 정확한 이해와 분석이 필요하며, 그 연구는 복합적이고 다각적으로 진행되어야 한다.
그러므로 나노의학기술에서는 나노입자를 분자영상기술에 접목시킨 나노분자영상 기술을 이용하여 체내용 진단용 의약품인 나노조영제 및 영상용 나노표적입자 등이 활발하게 개발, 활용되고 있다(Figure 5)[17-19].

나노분자영상은 나노크기의 입자나 펩타이드 등을 이용하여 생체 내의 병원체나 병인 등을 추적, 진단하는 동시에 복합적인치료 등을 수행하고자 개발되는 기술이다. 미국 스탠포드대학교는 MIPS(Molecular Imaging Program at Stanford)라는 프로그램을 구축하고 미국 국립암연구소(NCI)로부터 지원을 받아 대장내시경을 이용한 생체라만분광영상, 탄소나노튜브를 이용한 광초음파단층촬영 등을 개발하고 있고, 최근에는 난치성 암 질환과 관련된 다양한 바이오마커들을 동시에 추적할 수 있는 탄소나노튜브 기반 복합라만영상기술도 개발하고 있는데, 이러한 영상기술은 맞춤치료의 일환으로 환자 개인의 특성에 맞는 치료제를 개발하는 핵심적인 기술로 대두되고 있다.

독일 프랑크프루트 대학교에서는 신경내분비 종양의 방사성 펩티드 치료제를 대량으로 임상치료하는 시설을 갖추고 유럽의 분자영상 융합치료의 중심역할을 하고 있다. 진단치료복합법(theragnostics)이라는 영상기술의 한 방법은 매우 최근에 도입된 개념으로 각각의 환자에 최적화된 약물을 투여하여 진단 및 치료를 동시에 할 수 있는 방법으로, 국내 KIST팀이 형광체를 함유한 폴리머 나노입자를 이용하여 마우스에서 암세포에만 주로 축적되는 광학 영상용 나노입자를 개발하기도 했다. 최근에는 나노 분자영상시스템의 연구와 실제 염증이나 종양 표적 모델에서의 응용이 전 세계적으로 활발히 진행 중에 있다(Figure 6).

나노의학의 미래
  나노물질과 나노기술을 이용한 의학산업에서 고비용 문제로 인해 나노바이오, 분자생물학 등 기존의 기술을 임상으로 연결하는 부분이 미약하고 제품화가 쉽지 않은 실정이었으나, 나노분자영상 기술의 경우 생체 내에서 물질의 분포 및 약동학, 표적 추적을 손쉽게 정량화 할 수 있고 특히 인체에서 실시간 영상으로 생생한 질병정보를 분석할 수 있기 때문에, 지금까지 시행되어 오고 있는 인체독성 시험인 임상 1상 시험을 보강하는, 보다 윤리적이고 경제적인 방법을 제공할 수 있어서 연구의 시간적, 경제적, 기술적, 효율적인 측면의 강화가 가능하고, 치료 및 개발에 직접 응용할 수 있는 산업화 단계로 보다 쉽게 연결될 수 있을 것으로 생각된다.

나노의학기술을 활용함으로써, 신약개발에서는 약물의 효능 강화 및 부작용 감소를 기대해 볼 수 있고, 나노분자영상은 병원체 분포나 약효분석 등에 시간적, 경제적 경감효과를 가져올 수 있을 것이며, 진단 기술개발에서는 보다 정밀하고 신속한 질병진단법의 개발이 가능할 것이며, 더불어 질병의 근본적인 원인과 병리를 이해하는 학문적인 면에서도 정밀성, 실제성, 신속성 등에 많은 이점을 제공할 수 있으므로, 나노의학기술의 개발은 학문적, 사회 보건적인 측면에서 지속적으로 새로운 기여를 할 수 있을 것이라 예상된다. 이러한 예상을 근거로 나노의학의 발전은 미래의학과 의료산업 및 인류의 보건증진에 효율성 높은 양질의 기술향상을 가져다 줄 것으로 기대된다. 나노의학에 대한 기대를 현실화하기 위해서는 생명과학, 의약학, 화학, 물리학 등의 다각적이고 융합적인 시각에서 새로운 기술과 개념을 이해하고 연구하는 것이 필요하다. 그러므로 본 나노의학기술을 발전시키기 위해서는 다학제적 융복합 기술의 육성과 각각의 해당 연구관련 내용을 확충시켜 미래의 유망신기술을 지속적으로 발굴하려는 노력이 필요하다(Figure 7).

III. 맺는말


  21세기 들어서서 나노기술은 미래의학 산업의 유망한 핵심적 기술로서의 발전에 대한 기대가 커지고 있으며, 나노의학기술의 임상적 활용은 질병의 예방, 진단, 치료에 걸쳐 광범위하게 시도되고 있다. 또한 개발된 다양한 나노입자를 신약개발에 활용하여 개인맞춤형, 특정질환 표적지향형 진단 치료 기술을 개발하여 부작용 없는 난치병 치료의 길을 여는데 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 현재 질병관리본부 국립보건연구원에서는 이 같은 필요에 주목하여 나노메디신 융합기술연구단을 구성하여 병원체의 생체분자영상 분석연구 뿐만 아니라 나노진단 기술을 활용한 새로운 고감도 진단법 개발, 자성나노입자를 이용한 세균의 신속분리 동정기술 등을 개발하고 있다. 이러한 나노의학 기술은 감염병 연구를 포함한 다양한 의학 분야에서 혁신적 신기술을 기반으로 하는 새로운 의료기술 개발의 플랫폼을 제시 할 수 있을 것으로 기대된다.

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