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아주대 약학과 윤태종 교수 연구팀이 나노 유전자 편집 기술을 활용해 췌장암 치료제를 개발하는 데 성공했다. 이에 기존 췌장암 치료제에서 치료 효과를 보지 못한 환자들을 위해 활용될 수 있을 전망이다.윤태종 교수(약학과, 사진)는 나노 입자 전달체에 두 가지 서로 다른 특성을 갖는 유전자 가위 단백질 소재를 탑재하는 방식을 통해 두 가지의 유전적 이상 부위를 동시에 효과적으로 편집함으로써 새로운 췌장암 치료제를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 관련 내용은 저명 학술지 <바이오머티리얼즈(Biomaterials)> 11월12일자 온라인판에 게재됐다. 논문의 제목은 ‘약물 내성 췌장암 치료를 위한 원샷-이중 유전자 편집(One-shot dual gene editing for drug-resistant pancreatic cancer therapy)’이다. 조영석 가톨릭대 교수(의과대학 소화기내과)도 연구에 참여했다.연구팀이 개발한 치료제는 유전자 변이로 인해 현재 췌장암 치료제로 널리 사용되고 있는 약물(젬시타빈, Gemcitabine)에 저항성을 보이는 환자들을 위한 것이다. 젬시타빈은 뉴클레오시드 화합물로, 췌장암 세포 안에 흡수되어 유전자에 삽입됨으로써 암 세포의 성장을 억제해 췌장암 환자 치료에 널리 사용되어 왔다. 그러나 췌장암 환자의 약 55% 정도는 두 유전자(KRAS, P53)에 동시 변이가 있어 젬시타빈 약물로 치료 효과를 보기 어렵다. 때문에 췌장암은 사망률 1위에 해당하는 치료가 어려운 질병으로 남아 있다.윤태종 교수 연구팀은 유전자 가위 기술을 이용해 새로운 췌장암 치료제를 개발했다. 유전자 가위 기술로 암세포의 유전자 변이 부분을 효과적으로 편집해 냄으로써 치료 효과를 높이는 방법이다. 연구팀은 그동안 유전자 가위 기술의 한계로 남아 있던 유전자 가위 단백질 소재의 혈관 내 분해 문제를 해결해 냄으로써 새로운 췌장암 치료제 개발에 성공했다. 그동안 치료제에 사용되는 유전자 가위 단백질 소재가 혈관 내에서 분해되면서 암 세포에 전달되기 어렵다는 점이 유전자 가위 단백질 소재 치료제 연구에 한계로 작용해 왔기 때문. 연구팀은 이같은 한계를 극복하기 위해 단백질 형태의 유전자 가위 물질을 나노 캐리어(LNP, 인지질 화합물로 이뤄진 150나노미터 크기의 구형체 입자로 내부에 다양한 물질을 탑재할 수 있고 생체 적합성이 우수)에 탑재하는 경우 매우 안정적으로 혈관 내에 존재하게 되고, 결국 암 세포에 표적 전달이 가능하다는 점을 활용했다. 이 방법을 이용하면 하나의 나노 캐리어 나노 입자에 두 가지의 유전자 변이(KRAS, P53)를 동시에 편집할 수 있으며, 치료 효과를 극대화할 수 있다.연구팀은 나노 캐리어 표면에 췌장암 표적을 위한 항체를 도입, 표적 항암제와 유사하게 췌장암 세포에만 유전자 가위 소재를 전달했다. 그리고 이 경우 부작용이 최소화되고 치료 효과를 극대화할 수 있음을 확인했다. 생체 내 실험(in vivo)에서 암 조직으로의 유전자 가위 소재 전달 효율은 60%에 달했으며, 동물 모델에서의 치료 효과도 대조군 대비 높았다. 나노 캐리어(LNP) 기술은 최근 코로나19 백신 개발에 활용되면서 빠르게 검증된 바 있다. 이에 윤태종 교수 연구팀은 이를 유전자 가위 기술에 접목함으로써 새로운 췌장암 치료제를 개발할 수 있었다. 나노 캐리어(LNP) 기술은 그동안 많은 연구가 진행되어 왔지만, 그 안정성에 대한 연구가 정체되면서 관련 연구 개발이 한계에 부딪혀 왔다. 그러나 최근 코로나 펜데믹으로 화이자와 모더나가 개발한 mRNA 탑재 나노 캐리어(LNP)의 나노 독성이 응급 임상 시험 가이드에 의해 빠르게 검증되면서 새로운 국면을 맞이했다.윤태종 교수는 “코로나19 백신이 빠르게 개발될 수 있었던 결정적 계기는 혈관 내에서 mRNA가 분해되지 않고 안정적으로 유지될 수 있게 하는 나노 캐리어(LNP) 기술의 접목”이라며 “단백질 형태의 유전자 가위 물질 역시 혈액 내에서 분해되기 쉬운 물질로 생체 내 전달 효율이 낮아 암치료제 개발에 어려움이 있었다”고 설명했다.그러나 새로이 개발된 나노 캐리어(LNP) 기술을 접목함으로써 유전자 변이에 따른 항암제 내성을 갖는 질병을 치료할 수 있는 방법을 찾게 되었다는 설명이다. 유전자 가위 기술을 이용한 치료제 개발에서 가위 역할을 하는 단백질 구조체는 혈액 내 안정성이 떨어진다. 이에 그동안 시험관 환경(in vitro) 또는 직접 주사 방식을 적용하는 질환에만 활용이 가능했다. 윤태종 교수는 “이제 유전자 가위 기술에 나노 캐리어(LNP) 기술을 접목함으로써 혈관 주사를 활용하는 방안이 가능해졌다”며 “보다 다양한 질병의 치료에 이를 적용할 수 있게 되어, 나노-유전자 편집 기술의 활용 범위가 확장될 수 있을 것으로 기대한다”고 덧붙였다. 윤태종 약학과 교수는 지난 20여년 간 다양한 바이오 물질을 효과적으로 세포나 조직에 전달할 수 있는 나노 바이오 분야를 연구해왔다. 최근에는 유전자 가위 기술의 한계로 지적되어 온 ▲낮은 체내 안정성과 세포 침투율 ▲국부 치료가 불가능하다는 문제점 등을 극복하고자 나노 기술을 접목하는 연구에 집중해 왔다. 윤 교수는 아주대학교 산학협력단 산하 엔포유기술지주회사의 자회사인 ㈜무진메디의 대표를 맡고 있다. 연구팀은 이 회사를 통해서 임상 시험을 진행할 계획이다.연구팀은 항암제 내성을 갖는 췌장암 동물모델에 LNP-유전자 가위 치료제를 혈관 주사한 이후, 젬시타빈 항암제를 병용 투여하여 치료 효과를 확인했다.
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- 작성일2022-01-07
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아주대 연구진이 생명체의 미세한 맥박이나 심장 박동수까지 정확하게 측정하는 손가락 모양의 초소형 로봇(그리퍼)을 개발했다. 작은 생명체 및 사람의 심혈관을 상처 없이 잡고 생체 신호를 모니터링할 수 있어 향후 바이오 메디컬 로봇으로 활용될 전망이다. 한승용·강대식·고제성 교수(사진 왼쪽부터, 기계공학과) 연구팀은 손의 기능을 모사한 밀리미터 크기(3~5mm)의 초소형 정밀 소프트 그리퍼 구현에 성공했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 ‘다기능 소프트 그리퍼를 활용한 마이크로 크기의 생명체 생체 신호 측정(Vital signal sensing and manipulation of a micro-scale organ with a multifunctional soft gripper)’라는 제목으로 세계적인 로봇 분야 학술지 <사이언스 로보틱스(Science Robotics)> 10월13일자 온라인판에 게재됐다. 이번 연구에는 아주대학교 기계공학과 노연욱, 김민호 학생이 제1저자로 참여했다. 자연계에 존재하는 다양한 동, 식물의 그리퍼 중 사람의 손은 5개의 손가락을 독립적으로 움직일 수 있고 감각 세포가 집중되어 있어 잡은 대상을 섬세하고 정확하게 다루는 것이 가능하며 대상의 상태 구분도 가능하다. 4차 산업혁명 이후, 로봇 및 의료용 로봇 등 다양한 분야에서 사람의 손 기능을 모사하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 그러나 기존 그리퍼는 주로 단단한 물질로 만들어져 부드러운 대상을 잡기 어렵다는 문제가 있었다. 또한, 생체 신호를 수신하는 센서를 넣으면 그리퍼의 부피가 커져 크기가 작은 생물체를 잡는 데 한계가 있었다. 의료용 그리퍼의 경우에는 소형화된 그리퍼의 정밀한 컨트롤과 고민감도 센서와의 결합 및 측정을 위한 주변 전자장치와의 통합이 요구되었다. 연구팀은 단단함과 부드러움을 조절할 수 있는 가변강성 형상기억폴리머 소재를 사용해 생명체의 피부와 비슷한 성질의 그리퍼를 제작했다. 또한 은 나노선과 레이저 공정을 활용해 센서를 최소화함으로써 로봇의 크기를 5mm 이하로 줄였다. 은 나노선은 소프트 그리퍼의 5개 손가락을 독립적으로 정교하게 컨트롤하는 동시에 온도 센서로 활용되어 측정 대상에 대한 생체 신호 모니터링 및 열 자극도 전달할 수 있다. 연구팀이 개발한 소프트 그리퍼는 직경 3㎜ 정도의 달팽이알을 터트리지 않고 잡아 열을 가해 부화시키고, 부화 과정에서 발생하는 미세한 움직임 및 부화 직후 400∼600마이크로미터 크기인 달팽이의 심장 박동수도 측정했다. 또한 살아 있는 돼지의 혈관도 상처 없이 잡아 맥박을 재고, 터지기 쉬운 연어알을 손상 없이 잡는 작업도 성공했다. 무게가 25.4밀리그램인 소프트 그리퍼는 자체 무게보다 최대 6400배 무거운 물체를 순간적으로 들어 올리거나 1200배 무거운 물체를 지속해서 드는 작업도 성공적으로 수행했다. 한승용 교수는 “기존 그리퍼 연구는 잡은 대상의 신호를 측정 하는데만 그치지만, 이번 연구는 진단과 결과를 분석하여 잡은 대상에 치료를 제공할 수 있다”며 “의료용 초소형 로봇 개발 분야에 적용함과 동시에 많은 난제들이 쌓여있는 사람의 세포 레벨에서의 생명체의 기계적 움직임, 자극, 반응을 분석 할 수 있는 새로운 플랫폼으로 확장 될 수 있을 것”이라고 말했다. 이어 “후속 연구를 통해 전기적 자극, 약물 전달, 무선 동작 등 다양한 방향으로 확장할 계획”이라고 덧붙였다. 한편 이번 연구는 과기정통부 개인기초연구(신진연구) 사업의 지원을 받아 수행되었다.<소프트 그리퍼를 이용한 달팽이 부화 촉진 및 생체 신호 측정 과정><연구팀이 개발한 초소형 소프트 그리퍼><소프트 그리퍼를 활용한 연어알 및 물체 잡기 과정>
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아주대 김종현 교수 연구진이 실내조명으로도 높은 전력을 낼 수 있는 페로브스카이트 태양전지 제작을 위한 새로운 접근법을 개발했다. 이로써 저조도의 실내광으로도 전력생산을 할 수 있는 태양전지 구현이 가능해짐에 따라 실내 IoT(Internet of Things, 사물인터넷) 전자기기의 독립전력공급원으로 활용될 수 있을 전망이다.김종현 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)는 호주 뉴사우스웨일스 대학교(UNSW) Jan Seidel 교수, Jae Sung Yun 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 실내조명으로 고효율의 전력생산이 가능한 태양전지 핵심 설계원리를 규명하는데 성공했다고 밝혔다. 관련 연구는 ‘실내 저조도 광환경에서 페로브스카이트 태양전지의 전하특성과 이온이동 동역학에 대한 주사탐침현미경 분석(Probing Charge Carrier Properties and Ion Migration Dynamics of Indoor Halide Perovskite PV Devices Using Top- and Bottom-Illumination SPM Studies)’이라는 제목으로 에너지 분야 국제학술지 <어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials), IF:29.368/JCR 상위 2.78%> 8월26일자 온라인판에 게재되었다. 이번 연구에는 아주대 김종현 교수(사진 오른쪽)가 교신저자로, 아주대 대학원 분자과학기술학과 석박사통합과정 신소정 학생(사진 왼쪽)이 제1저자로 참여했다. 지도는 김종현 교수가 맡았다. 태양광에너지를 전기에너지로 바꿔주는 태양전지는 재생에너지 사용확대에 따라 큰 주목을 받고 있다. 기존 태양전지는 태양광에너지의 전기에너지로의 변환 효율을 개선시키는 방향으로 연구·개발되어 왔다. 하지만 최근에는 4차산업혁명의 도래와 함께 스마트팜, 스마트홈, 스마트팩토리 등에 요구되는 실내 IoT 전자기기의 수요가 급격히 증가함에 따라 이들을 구동하기 위한 전력원으로서 실내용 태양전지 개발이 주목받고 있다. 연구팀은 실내조명의 광파장대를 효과적으로 흡수하는 페로브스카이트 소재에 주목했다. 페로브스카이트 소재는 ABX3의 결정구조를 가지는 유무기 하이브리드형 반도체 소재로, 낮은 공정단가로 높은 에너지 전환 효율을 얻을 수 있어 태양전지 분야에서 각광을 받고 있는 소재이다. 연구팀은 페로브스카이트층과 전자수송층의 계면 결함으로 발생하는 그레인 바운더리(Grain boundary, 입계면) 전하트랩들이 실내 저조도 광조사 환경에서 태양전지의 출력값을 급격히 저하시킨다는 것을 밝혀냈다. 이를 기반으로 계면 결함을 최소화할 수 있는 전자수송층을 도입함으로써 실내조명 환경에서 페로브스카이트 태양전지의 출력을 최적화시키는데 성공했다. 연구팀의 이번 성과는 저조도의 광조사 환경에서 고효율로 광-전 에너지 변환을 일으킬 수 있는 태양전지의 핵심 설계원리를 밝혀내고, 실내조명으로도 고출력의 에너지 생산이 가능한 태양전지 개발 방법을 제시했다는 데 의의가 있다. 김종현 교수는 “이번 연구를 통해 저조도 실내조명 광조사 환경에서 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율을 최적화 시킬 수 있는 핵심원리를 밝힐 수 있었다”며 “이러한 원리를 이용하여 개발된 고출력 페로브스카이트 태양전지를 호주 스마트팜 가축헬스케어 IoT센서의 전력공급원으로 도입하는 연구개발을 현재 진행하고 있다.”고 말했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 전략형 국제공동연구사업(한-호주), 대학중점연구소 지원사업(분자과학기술연구센터)과 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행되었다.<계면 결함 분석과 결함 제어를 통한 페로브스카이트 태양전지의 저조도 출력 최적화 연구결과>
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- 작성일2021-11-02
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- 작성일2021-10-25
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