한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 생체분자인식연구센터 김호준 박사 연구팀은 엑소좀의 한계를 극복하기 위해 새로운 약물 전달체인 엑소좀 모사 전달체(Exosome-Like Vesicle: ELV)를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구를 통해 개발된 전달체는 뇌혈관장벽이나 고형암과 같은 치밀한 조직 내부를 효과적으로 이동하며 약물을 전달할 수 있다.

현재 다양한 질병 치료제가 개발되고 있지만, 치료 효과를 높이기 위한 가장 중요한 과제는 약물을 조직 깊숙이 침투하는 것이다. 일부 조직은 촘촘하게 이루어져 있어 치료제가 존재하더라도 조직 내부까지 충분히 도달하지 못해 효과가 제한된다. 특히, 고형암이나 뇌종양처럼 조직이 단단하고 촘촘한 경우, 치료제를 조직 깊숙한 곳까지 전달하는 것이 더욱 어려운 문제가 된다.

최근 인체가 자연적으로 분비하는 나노소포체인 엑소좀을 활용한 치료제가 주목받고 있다. 엑소좀(Exosome)은 우리 몸에서 신호 전달과 물질 운반을 담당하며 복잡하고 치밀한 조직도 자유롭게 이동할 수 있다. 그러나 세포에서 자연적으로 분비되는 엑소좀은 성분 조절과 대량 생산이 어렵다는 한계를 갖고 있다.

연구팀은 엑소좀의 조직 침투 능력에 주목해 엑소좀 모사 전달체를 개발했다. 조직 침투에 중요한 엑소좀의 핵심 성분을 선별하고 이들의 조직 확산 및 약물 전달 역할을 체계적으로 분석하여 최적의 조합을 도출했다. 특히, 합성 전달체에 엑소좀 성분을 첨가하는 기존 방식과 달리 엑소좀의 주요 성분이 가진 구조적·기능적 특징을 정밀하게 분석하고 이를 분자 수준에서 재현해 실제 엑소좀과 유사한 성능을 구현했다.

연구팀이 개발한 엑소좀 모사 전달체의 효과를 검증하기 위해 모델 조직(model tissue)을 활용한 약물 확산 실험을 수행했다. 그 결과, 기존 전달체보다 33배 높은 침투력을 보였으며 근육, 연골, 고환 피막 등 다양한 생체 조직에서 80% 이상의 높은 침투 성능을 확인했다. 또한, 고형암 조직을 모사한 동물 모델에서도 엑소좀과 유사한 확산 패턴을 나타냈으며 실제 조직 내부에서의 이동 경로와 메커니즘을 효과적으로 재현하는 것으로 밝혀졌다. 

이번 연구에서 개발한 전달체는 기존 합성 전달체가 극복하지 못했던 조직 침투 한계를 해결하고 치료제 전달 효율을 극대화해 차세대 약물 전달 기술로서 다양한 치료제 개발의 새로운 가능성을 제시했다. 특히, 엑소좀 모사 전달체를 활용한 정밀의료 및 항암 치료제 개발에 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다. 이를 위해 연구팀은 체내 안정성과 약물 탑재 효율을 최적화하고 다양한 질환 모델에서 효과를 검증하는 연구를 수행할 계획이다.

KIST 김호준 박사는 “엑소좀 모사 기술이 상용화되면 뇌종양 및 고형암과 같은 난치성 질환 치료에 획기적인 돌파구가 될 것”이라며 “후속 연구를 통해 치료제뿐만 아니라 엑소좀이 활용되고 있는 화장품, 식품 등 다양한 산업 분야로 활용 범위를 확대할 계획”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 개인기초연구사업(RS-2023-00209955), Young Scientist+ research program(2023YS22) 등을 통해 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「ACS Nano」 (IF 15.8, JCR 분야 6.0%) 최신 호에 게재됐다.

 * 논문명 : Exosome-Inspired Lipid Nanoparticles for Enhanced Tissue Penetration

[그림 1 엑소좀 모사 전달체의 개발 모식도]
 치밀한 구조의 조직 내부를 자유롭게 이동하는 엑소좀의 특별한 수송능력을 모사한 엑소좀 모사 전달체. 엑소좀의 조직 침투 능력을 모사할 수 있는 3가지 핵심 요소를 사용했으며, 결과적으로 우수한 조직 침투 능력을 가진 입자를 성공적으로 개발하였다.

[그림 2 엑소좀 모사 전달체의 조직 침투 성능]
 (좌) 기존 전달체와 엑소좀 모사 전달체가 실제 조직을 이동하는 모식도 

 (우) 조직 내부 기존 전달체와 엑소좀 모사 전달체의 확산 계수, 모든 조직에서 높은 확산 현상을 나타냄

[그림 3 고형암 동물모델에서 엑소좀 모사 전달체의 침투 성능]
 엑소좀 모사 전달체의 시간에 따른 실제 조직 내에서의 이동 거리. 엑소좀 모사 전달체가 기존의 전달체 보다 조직 내에서 더 높은 이동 거리를 나타내었다. 또한 조직 내부의 약물 분포(빨간색)를 확인했을 때 실제 엑소좀과 비슷한 분포를 나타내는 것을 확인하였다.