[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

하이드로젤은 3차원(3D) 네트워크로 이루어진 가교된 고분자 물질로, 특히 단백질 기반 하이드로젤은 엘라스틴, 콜라겐, 젤라틴, 실크와 같은 단백질이나 폴리펩타이드를 활용해 제작된다. 이러한 단백질 하이드로젤은 조절 가능한 생화학적 및 기계적 특성 때문에 상처 치유, 3D 세포 배양, 조직 재생 분야에서 활발히 활용되고 있다. 하지만 기존의 단백질 하이드로젤은 물리적 가교나 화학적 가교제를 통해 생성되는데, 화학적 가교제는 잔류 독성 물질을 남길 위험이 있어 생체의학적 적용에 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 화학적 가교제가 필요 없는 자가 가교형 단백질 하이드로젤을 개발했다.

2.연구내용

본 연구팀은 화학적 가교제의 독성 문제를 해결하기 위해 SpyCatcher/SpyTag (SC/ST) 단백질 결합 시스템을 활용하여 자가 가교형 단백질 하이드로젤을 개발했다. SC는 13 kDa 크기의 단백질이며, ST는 13개의 아미노산으로 구성된 펩타이드로, 서로를 인식해 비가역적 이소펩타이드 결합을 형성한다. 이 시스템은 다양한 단백질에 융합될 수 있으며, 별도의 화학적 처리가 필요 없이 안정적인 하이드로젤을 생성할 수 있다.

연구팀은 외부 단백질에 대한 면역반응을 최소화하기 위해 증식세포핵항원(PCNA)을 스캐폴드 단백질로 선택했다. PCNA는 DNA 복제와 수리에 관여하는 단백질로, 고리형 삼량체 구조를 가지며, 이 구조는 자연상태에서도 안정적으로 유지된다. 연구진은 ST를 PCNA 삼량체에 융합하고, SC를 두 개 연결한 이량체를 제작하여 두 단백질을 혼합했을 때 자가 가교를 통해 3차원 네트워크를 형성하는 하이드로젤을 개발하였다. 이 단백질 하이드로젤은 화학적 가교제가 없어도 안정적이면서도 부드러운 구조를 가진 것을 확인하였다.

연구팀은 이 단백질 하이드로젤을 약물 전달 시스템으로 평가하기 위해 항암제, 광민감제, 성장인자와 같은 다양한 약물을 하이드로젤 내부에 포함시켰다. 하이드로젤이 점진적으로 분해됨에 따라 가둬진 약물이 일정시간 동안 지속적으로 방출됨을 확인하였다. 특히, 단백질 하이드로젤을 국소 주입했을 때, 염증 반응이 나타나지 않음을 확인하였고, 주입된 하이드로젤이 포함하고 있는 치료 약물의 종류에 따라 각각 다른 치료 효과를 확인하였다.

항암제 (Doxorubicin)를 포함한 하이드로젤을 종양 부위에 국소 주입했을 때, 항암제가 지속적으로 방출되어 부작용 없이 종양 성장 속도를 억제하였다. 또한, 광민감제 (Indocyanine green)를 포함한 하이드로젤은 주입 부위에서 고농도로 안정적으로 유지되었고, 레이저 조사 시 온도가 급격히 상승해 종양 성장이 효과적으로 억제되었다. 상처 치유를 위한 연구에서는 성장인자 (PDGF-BB)가 포함된 하이드로젤을 상처 부위에 도포 하자, 하이드로젤이 상처를 효과적으로 덮으며 조직 재생이 촉진됨을 확인하였다.

3.기대효과

본 연구팀은 이번 연구를 통해 개발된 자가 가교형 단백질 하이드로젤이 암 치료와 상처 치유를 위한 국소 약물 전달 플랫폼으로서의 가능성을 입증했다고 밝혔다. 화학적 가교제를 사용하지 않아 부작용을 최소화하면서도 치료 효과를 극대화할 수 있어, 생체의학적 응용에 새로운 기회를 제공할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.증식세포핵항원 (PCNA; Proliferating Cell Nuclear Antigen protein)

증식세포핵항원(PCNA)는 DNA 중합효소와 함께 DNA에 결합하여 DNA 슬라이딩 클램프 역할을 한다. 이 단백질은 고리형 구조를 가지고 있어 DNA를 둘러싸며, DNA 복제 및 수리를 위해 DNA 주형에 중합효소가 안정적으로 결합하도록 돕는다. PCNA는 DNA가 없는 상태에서도 자연적으로 안정적인 고리형 삼량체를 형성하기 때문에, PCNA 기반 단백질 하이드로젤은 면역반응에 의한 거부반응을 방지할 수 있는 생체적합 전략을 제공할 수 있다.

2.SpyCatcher/SpyTag (SC/ST) 단백질 결합시스템

Streptococcus pyogenes에서 유래한 면역글로불린 유사 콜라겐 접착 도메인 (CnaB2)의 분리된 형태로, 13 kDa의 SpyCatcher (SC) 단백질과 13개의 아미노산으로 이루어진 SpyTag (ST) 펩타이드로 구성된다. 이들은 다양한 단백질에 유전적으로 융합될 수 있으며, 융합된 단백질의 기능을 크게 변화시키지 않는다. SC와 ST은 서로를 인식하여, SC의 리신 37번 (Lys 37)과 ST의 아스파르트산 9번 (Asp 9) 사이에 비가역적 이소펩타이드 결합을 자발적으로 형성한다. SC/ST 단백질 결합시스템을 이용하면 화학적 가교제 없이 다양한 단백질 기반 하이드로젤을 생성 할 수 있다.

3.단백질 하이드로젤 (Protein hydrogel)

단백질 하이드로젤은 3차원(3D) 고분자 단백질 네트워크로 이루어진 매트릭스다. 이러한 하이드로젤은 단백질의 자가 조립 또는 가교 결합을 통해 형성되며, 다양한 세포 행동을 유도할 수 있어 조직공학과 재생의학에서 세포 스캐폴드로 많이 사용된다. 또한, 생체적합성과 생분해성 덕분에 약물 전달과 같은 분야에서도 유용하게 활용된다.

[붙임] 그림설명

그림1. 자가 가교형 단백질 하이드로젤의 생성 원리 및 국소 치료 증진효과

ST이 융합된 고리형 삼량체 PCNA (ST-PCNA) 단백질을 핵심 단백질 빌딩 블록으로 사용하고, SC 두 개를 연결해 아령형 이량체 (SC-SC) 단백질을 연결 요소로 사용함. ST-PCNA와 SC-SC를 단순히 혼합하는 것만으로, 화학적 가교제 없이 자가 가교된 단백질 하이드로젤 (2SP hydrogel)이 형성됨. 주입 가능한 2SP 하이드로젤은 국소 치룔를 위한 새로운 생체적합성 스캐폴드로서의 잠재력을 보여줌.

그림2. 국소 치료용 생체적합 단백질 하이드로젤 

A) 주입된 2SP hydrogel에 의해 염증 반응이 관찰되지 않음 B, C) 항암제 (Doxorubicin)을 포함한 2SP hydrogel의 지속적인 약물 전달에 의한 항암효과를 나타냄 D, E) 광민감제 (Indocyainine green)을 포함한 2SP hydrogel의 레이저 조사 시 온도 상승과 광열 치료를 통한 종양 억제 능력을 보여줌 F, G) 성장인자 (PDGF-BB)를 포함한 2SP hydrogel이 상처 부위에 도포된 이후, 전달된 약물에 의해 조직 재생이 촉진됨