양시영내과의원

>>"한화연구진의 도전" ABL바이오, 글로벌 이중항체기업 꿈

==2016. 12. 16. " 한화 연구진의 도전" ABL바이오, 글로벌 이중항체기업 꿈 | 바이오스펙테이터

이상훈 ABL바이오(에이비엘바이오) 대표는 최근 판교 파스퇴르연구소에 위치한 본사에서 가진 바이오스펙테이터와의 인터뷰에서 회사를 한마디로 '준비된 바이오벤처'라고 소개했다. 창업한지 겨우 6개월 남짓 됐지만 길게는 4~5년이 걸리는 임상후보물질을 이미 확보했다는 설명이다.

ABL바이오는 신생 바이오텍이지만 상당한 노하우를 가진 회사로 그 출발은 한화케미칼이다. 2014년 한화케미칼이 삼성종합화학을 인수하면서 바이오사업을 접자, 바이오사업부문을 총괄하던 이상훈 박사를 중심으로 5년간 바이오 연구를 진행한 17명 핵심인력이 주축이 돼 회사를 설립했다.

당시 인적∙물적 요소들이 지금의 ABL바이오를 이루고 있지만 한화의 자본참여는 '0%’인 독립회사다. 최근 한국투자파트너스, DSC 인베스트먼트에서 90억원을 투자받아 글로벌회사로 가기 위한 연구∙개발에 속도를 내고 있다.

ABL바이오의 핵심 경쟁력은 이중항체를 포함한 다양한 항체제조 기술력과 이를 바탕으로 한 다채로운 파이프라인이다. VEGF & Dll4 억제 이중항체인 'ABL001', 면역항암제 'ABL101-7', N-terminal conjugation 기술을 기반으로 한 ADC 타깃 'ABL201-3', BBB(Blood Brain Barrier) 통과 이중항체 기반의 파킨스병 타깃 'ABL301-2' 등 4개 파트로 나눠 연구·개발을 진행하고 있다.

ABL바이오가 주목한 것은 '이중항체'다. 이중항체는 두 가지 항원(몸속에서 질병을 일으키는 물질)을 동시에 인식하는 항체를 의미한다. 이중표적항체 플랫폼은 현재 전 세계적으로 약 70여종 이상이 개발될 정도로 주목도가 높다.

암은 암세포에 따라 너무나도 다른(heterogeneous) 특징을 갖고 있어 일반적으로 두 개이상의 표적이 질환과 관련돼 있다고 알려져 있다. 때문에 한 개의 표적 보다는 두 개의 표적을 동시에 저해하는 것이 더욱 효과적인 치료효과를 가질 수 있다.

연구진의 도전" ABL바이오, 글로벌 이중항체기업 꿈 | 바이오스펙테이터

이 대표는 "이중항체의 핵심은 추가적 효과(Addictive effect)다. 간단히 설명하자면 1+1 이 2가 된다는 것"이라면서 "실제 실험을 하면 정확히 추가적 효과를 확인할 수 있다”고 설명했다.

이러한 특징을 기반으로 이중항체가 가질 수 있는 차별성은 ‘하나의 물질로 약물 병용투여 효과’와 암과 대항할 수 있는 면역세포를 타깃할 경우 '면역세포치료제와 같은 효과’를 볼 수 있다는 것. 앞으로 소개할 회사 파이프라인은 두 가지 파이프라인을 모두 포함하고 있다는 점에서 의미가 크다.

암세포를 성장∙전이를 방해하는 효과적은 타깃은 신생혈관을 만드는 작용을 억제하는 것이다.

암세포는 특유의 무한 증식능력을 가지고 있는데 이를 실현하기 위해 항상 막대한 양의 산소와 영양분 공급을 필요로 한다. 때문에 암 미세환경은 주변혈관에 계속적으로 신생혈관형성 인자를 폭발적으로 분비해 이를 해결하려고 하는 것이다. 이러한 역할을 하는 잘 알려진 인자가 ‘VEGF(Vascular endothelial growth factor, 혈관내피 성장인자)’로 이를 타깃으로 해 혈관생성을 억제하는 단일항체(anti-VEGF-a)가 잘 알려진 아바스틴이다.

ABL바이오의 ABL001 이중항체는 여기에 혈관생성에 관여하는 Dll4를 추가적으로 억제한다. ABL001은 크게 두 부분으로 VEGF에 결합하는 항체가 뼈대(backbone)를 이루고 양팔모양의 C-terminal 쪽에 Dll4에 결합하는 항원결합부위(single chain Fv)가 연결된 형태를가진다.

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Dll4(Delta like ligand 4)는 Notch에 결합하는 리간드(ligand)이다. Notch는 세포막에 존재하는 단백질로, 매우 다양한 인자가 Notch에 붙어 세포내로 신호전달을 한다고 알려져있다. 주로 세포간 신호전달(cell-cell communication), 세포분화 및 발생에 관여하며 암세포에서 notch 신호전달이 망가져 있는 것이 관찰된다.

Notch-Dll4 신호전달은 혈관생성에 작용하는 VEGF와는 다른 작용을 한다. 이 신호전달은 혈관 Sprouting(가지처럼 뻗어 나가는 현상)에 관여한다고 알려져 있는데 Dll4를 억제할경우 혈관이 더 미세하게 많은 수의 가지를 갖게 된다.

언뜻 이해하기에는 혈관이 더 많이 생기기 때문에 혈관생성을 억제하는 VEGF와는 반대작용을 한다고 생각할 수 있지만 혈관이 세분화되면 암세포에게 산소∙영양분을 공급할수 있는 혈관이 적어지는 효과를 가지게 된다. 즉 이중항체로 두 신호전달을 막으면 더좋은 항암 치료효과를 기대할 수 있는 것이다.

폐암, 위암, 난소암등의 동물모델에서 종양성장을 비교했더니 아바스틴, 항-Dll4 단독 투여와 비교해 ABL001이 종양성장 억제효과가 더 뛰어난 것을 확인했고 각 항체의 병용투여와 비교하면 동등 혹은 추가적 억제효과가 기대된다.

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▲ABL001 작용기전과 단일항체 대비 종양성장 억제효과 비교결과출처: 회사제공

이 대표는 “기전적 근거 외에도 실제 임상에서 이 타깃을 동시에 억제하는 것이 더 좋은항암효과를 가진다는 많은 연구결과가 있다”고 설명했다.

이와 같은 맥락으로 Dll4 억제는 신생혈관억제 효과 외에도 ‘항종양작용(anti-tumor)’이란 또 하나의 가능성을 내포하고 있다.

흥미롭게도 위암, 난소암, 교모세포종, 대장암을 포함한 암 종류에 따라 Dll4가 혈관내피세포 외에도 암세포, 스트로마세포에 발현하기도 하는데 이 경우는 예후가 매우 안좋은상태다. 실제 4개의 위암(gastric cancer) 모델에서 항체를 처리해 종양억제정도를 확인했더니 2개의 모델에서 50% 억제효과를 가졌고 모두 Dll4를 발현하고 있었다.

반면 Dll4 음성군에서는 억제효과를 보이지 못했다. 이는 임상적으로 Dll4를 발현하는 환자군(Dll4 양성)에서 ABL001이 좋은 치료제가 될 수 있는 가능성을 내포한 것으로 Dll4 발현을 검증하는 바이오마커 연구개발도 진행중이다.

또한 회사의 잠재적 타깃은 암 전이∙재발에 핵심적 역할을 하며 항암치료에 저항성을 가지는 특성을 갖고 있다고 알려진 암줄기세포(tumor initiating cell)다. 암줄기세포에 Dll4가 발현하고 있어 ABL001이 암줄기세포를 억제하는 항종양효과를 가질 수 있다는 것으로 동물실험에서 일부 확인한 바 있다.

결론적으로 VEGF와 Dll4에 관련 신호전달을 방해할 경우 종양 증식∙전이에 필수적인 혈관생성작용이 억제되고 동시에 암세포 혹은 암종양줄기세포(tumor initiating cell)를 억제할 수도 있다.

현재 같은 타깃을 갖는 경쟁사로 OMP-305B83(Oncomed & Celgene), DVD-IgG(에비)가있다. 하이브리드식이중항체인 OMP-305B83과 비교하면 VEGF, Dll4에 대한 결합력은 비슷하지만 실제 혈관생성정도를 확인하는 기능적테스트(functional assay, HUVECproliferation)에서 약 100배 뛰어난 효능을 보였다. ABL001은 생산성은 1g/L으로 OMP-305B83과 비교하면 상당한 경쟁력이 있다는 설명이다.

이 대표는 “ABL001은 경쟁사가 임상 1상을 진행중인 것과 비교해 진행속도는 느리지만적응증에서 차별성이 있다. 특히 위암에서의 효과는 자신한다”고 강조했다.

지금 전 세계적으로 가장 뜨거운 관심을 받는 면역치료제는 BMS ‘여보이’와 ‘옵디보’ 그리고 MSD ‘키트루다’와 같은 면역관문억제제다. 그런데 현재 면역관문억제제로 임상진행중인 케이스의 공통점은 ‘병용투여’로 회사 이중항체는 암세포를 공격하는 동시에 T세포에 발현하고 있는 면역관문 단백질도 타깃하는 것이다.

ABL바이오는 PD-1을 포함한 T세포 특이적인 2가지(Y) 후보물질을 타깃하는 동시에 암세포를 타깃하는 7가지 후보 물질(X1…X7)을 이중항체 후보(ABL101-107)로 갖고 있다. X1-X7 종류에 따라 혈액암, 다양한 고형암을 포함한다.

이중항체로 T세포를 암세포로 모이게(recruiting)해 공격할 수 있는 것이다. 이는 T세포에암세포를 공격하는 수용체를(CAR, chimeric antigen receptor)를 삽입하는 CAR-T와 기전면에서 상당한 유사점을 갖는다. 반면 환자 T세포를 꺼내 유전자 조작을 해야 되는 CART요법과비교하면 더 용이하며 가격면에서도 이점이 있다. 추가적으로 CAR-T 요법에서신호증폭분자 삽입으로 야기되는 가장 큰 문제인 심각한 독성문제(cytokine syndrome)도해결할 수 있을 것이란 설명이다.

ABL바이오는 암세포를 타깃하는 7가지 후보물질(X1…X7)과 T세포를 타깃하는 2가지 후보물질(Y)를 조합한 다양한 이중항체 모델에서 물질 스크리닝을 할 예정이다.

이 대표는 “1년 이내 동물실험 마무리할 예정으로 매우 활발하게 연구하고 있다. 효능이뛰어난 후보 이중항체를 찾아 2-3년 안에 임상 승인 신청을 할 수 있을 거라 예상한다"고말했다.

회사의 파이프라인은 이중항체에 국한되지 않는다. ADC(antibody drug conjugate, 항체-약물 결합체)는 항체 치료제가 가진 장점인 특이성과 약물이 가진 강력한 효능을 합친 물질이다. ADC를 항암제에 적용할 경우 효과적으로 암세포만 공격할 뿐만 아니라 항체가가지는 긴 반감기 덕분에 몸속에 오래 머물게 되는 장점을 가진다.

그런데 ABL바이오가 개발 중인 ADC는 조금 독특하다. 국내에서 ADC를 주력으로 하는레고켐, 알테오젠의 항체 디자인과 비교하면 큰 차이점을 알 수 있다. 두 회사는 약물이항체의 본체 끝부분인 C-terminal에 붙는 반면 ABL바이오의 경우 약물을 표적 결합부위와 가까운 팔 부분인 N-terminal에 결합한다.

그렇다면 구조적 차이에 기반한 약물효과는 어떻게 다를까

회사 NTERM(ABL201-203, N-terminal ADC) 파이프라인의 전략은 N-terminal에 약물을붙이는 융합기술로 부작용을 감소시킨다. 구체적으로 물질 안정성은 높이고 면역원성은 줄어들어 기존 ADC와 비교해 효과는 비슷하지만 약물독성으로 인한 부작용은 크게 감소했다.

이러한 접근 방법이 의미가 있는 이유는 글로벌 시장에서 ADC와 관련된 주요쟁점이 약물독성으로 야기되는 부작용이기 때문이다. 2000년부터 지금까지 화이자, 다케다, 제넨틱등 24개 제약사가 ADC 파이프라인을 진행하던 중 임상 단계에서 실패하게 된 주된 원인중 하나도 약물독성이다.

환자에게 약물을 투여할 때 치료범위(Therapeutic window)를 고려해야 되는데 쉽게 얘기해 효과는 극대화하면서 부작용은 적은 투여량을 결정해야 된다는 것. 회사 NTERM을 환자에게 적용할 경우 기존 ADC에 비해 ‘더 효과를 볼 수 있는 적정 양’을 투여할 수 있을것이라는 개념이다.

실제 간에서 독성실험을 진행한 결과 NTERM은 경쟁사에 비해(표기: Thiol, Lysine)50mg/kg에서는 독성이 비슷하지만 100이 넘어가면서 독성이 크게 차이가 난다. 즉 효과를 볼 수 있는 치료범위가 넓다고 해석할 수 있다.

▲NTERM 경쟁사 대비 동물 간 독성실험 결과출처: 회사제공

독성에 의한 부작용을 해결하기 위한 회사의 또 다른 전략은 약물 자체의 강한 독성을 줄일 수 있는 대안을 연구하겠다는 것. 현재 미국 합성연구팀과 유전자(DNA)를 표적으로하는 차세대 약물에 대해 공동연구를 진행중이다.

이 대표는 “앞선 파이프라인에 비해 ADC가 약물효과를 나타내려면 세포 안으로 들어가는(internalization) 과정이 핵심적인데 우리는 이러한 항체들을 보유하고 있다. 또한 항체전문 회사이기에 신규항체를 만들고 또 필요에 따라 변형∙조작할 수 있는 기술이 있다”고 강조했다.

NTERM은 혈액암, 위암, 삼중음성유방암을 타깃(각각 ABL-201-3)으로 개발 중이다.

◇장기적 히든카드, BBB통과 이중항체…퇴행성뇌질환 타깃 기반기술 될 것

“장기적으로 IPO 이후 가장 욕심을 가지고 있는 퇴행성뇌질환이다. 뇌질환을 표적으로 하는 치료제의 관건은 혈뇌장벽(Brain blood barrier, BBB) 통과여부다. 퇴행성뇌질환 환자의 혈관이 일반인보다 상대적으로 느슨한(leaky) 것은 맞지만 혈관 투과율이 좋은 것은아니다.”

그러면 BBB를 어떻게 통과하겠다는 것일까 회사는 핵심기술인 이중항체로 이 문제를 해결한다는 목표다.

대부분의 뇌 세포는 재생 능력이 없어 다른 신체 부위에 비해 면역작용이 활발하지 않은대신 BBB라는 탄탄한 1차 장벽을 가지고 있어 에너지원인 포도당을 포함한 500Da 이하저분자만이 이를 통과할 수 있다. 그러나 다행히도 뇌세포 활성유지에 꼭 필요한 소수의물질이 BBB를 통과할 수 있는데 이러한 특정 운반시스템(shuttle system)을 이용해 뇌로들어가겠다는 것.

이는 스키리프트를 탈 수 있는 입장권을 갖고 있어 산꼭대기로 올라갈 수 있는 것으로 비유할 수 있다. 일례로 제넨텍과 로슈에서 철 수송 혈액단백질인 트랜스페린(transferrin)에결합해 BBB를 통과하는 이중항체를 동물모델에서 테스트했고 새롭게 BBB에 잘 발현되는CD98hc에 결합하는 이중항체를 개발 중이다.

ABL바이오는 150000Da 크기의 항체가 BBB로 들어갈 수 있는 BBB 발현 자체 후보물질을 확보했다. 이중항체 후보물질은 제작을 마친 상태로 올해말 캐나다 연구기관과 공동으로BBB 통과여부를 테스트할 예정이다.

그는 “물질 테스트를 해서 다른 BBB 운반 시스템과 비교실험을 할 예정이고 우리의 우수한 항체제작 기술력으로 향후 충분히 다양한 적응증에서 확장가능한 플랫폼을 개발 예정”이라고 언급했다.

ABL바이오가 제일 먼저 타깃하는 퇴행성뇌질환은 파킨슨병(Parkinson’s disease)이다.

알파시누클레인(alpha-synuclein)이라는 시냅스 전(pre-synaptic part)에 주로 존재하는 단백질로 정확한 기능은 알려져 있지 않은데 정상인 뇌에서 단량체(monomer)로 존재하지만 파킨슨병 환자에서 응집된 형태(aggregation)로 변하게 된다. 시간이 지남에 따라이 응집체가 뇌 전체로 퍼지면서 신경독성을 나타내고 파킨슨병 환자가 병리현상을 나타내는 주요 원인으로 알려져 있다.

따라서 BBB를 통과하는 이중항체(ABL301)로 뇌 안으로 들어가 알파시누클레인을 억제하겠다는 것. 서울의대 이승재 연구팀과 공동개발으로 응집된 형태의 알파시누클레인에 결합하는 4가지 형태의 후보물질을 가지고 있으며 9월 초부터 동물실험을 통해 후보항체를선정한다는 계획이다.

이 대표는 “(BBB를 통과하는 항체는) 향후 글로벌 수준의 항체가 될 것”이라며 “후보 항체에 따라 단량체 혹은 응집체에 대한 결합력이 다르기에 (뇌척수액 혹은 혈청에서) 이 비율을 측정 가능하다면 진단영역까지 확장 가능할 것”이라고 설명했다.

그는 향후 계획에 대해 “조만간 2차 투자를 받아 연구인력을 충원하고 파이프라인 개발도 속도를 낼 계획"이라면서 "글로벌 수준으로 도달하느냐의 관권은 기술력과 아이디어싸움이라고 생각한다. 그런 면에서 우리는 상당한 경쟁력을 가지고 있다"고 설명했다.

이 대표는 회사의 또 다른 강점으로 우수한 연구인력을 꼽았다. 현재 항체전문 박사급 연구원 9명을 포함한 20명의 연구진에서 구성돼 있다. 이 대표 역시 카이론(현 노바티스),아스트라제네카, 제넨텍, 엑셀레시스의 다국적 제약사에서 합성신약 및 항체신약 초기 후보물질 발굴부터 초기임상에 걸쳐 연구∙개발을 진행한 경험이 있다.

이 대표는 “국내외 다양한 네트워크를 통해 ABL바이오가 부족한 기술요소들을 신속히 조달할 수 있는 공동연구나 위탁개발 등을 진행할 계획"이라면서 "이중항체를 포함한 기존보유기술들의 잠재가치를 극대화할 수 있는 영역에서 기존 선도자를 신속히 따라잡는 전략을 추구하는 글로벌 수준의 연구중심 회사가 될 것”이라고 강조했다.

@@@IMGT : 영상유도하 치료 위한 신약개발 및 치료기술 개발 및 연구...나노기술을 생의학분야에 적용, 의료영상기술과 나노기술을 융합,

----2015 : 04>초음파조영제 해외특허출원(유럽, 미국, 중국) 09>SNUH로부터 초음파조영제합성 기술이전 09>복지부 첨단의료기술과제 선정 10>중소기업청TIPS(Tech Incubator Program for Srtart-up)선정

===1>초음파영상기술 이용, 선택적 약물전달 --간암, 유방암, 전립선암, 췌장암 타깃

마이크로버블복합체(**바이오인프라는 유전자치료제+이너가스로 구성, 이중지질막구조로 만든 항암제 함유 나노입자-마이크로버블 복합제를 사용...**적혈구크기보다 약간 작다)로 구성된 초음파 조영제를 혈액내로 투여.......특정부위에 초음파를 쏘이면 조영제-약물 복합체가 신생혈관을 따라 종양덩이로 집중되며 ....이 때 고 에너지 주파수를 쪼여주면 초음파 조영제는 파괴되고 치료제가 암의 신생혈관내에서 방출되어 치료제의 병소부위 고농도 집적효과 발휘됨...[표적암의 국부적 나노입자 방출 및 종양침투효과, 약물지속방출 능력 향상]<현재 의료용으로 판매되는 초음파조영제는 특정한 가스나 공기가 함유된 1um크기의 지질, 단백질, 및 고분자물질 형태로 사용중임..>==> 간암색전술, 유방암, 췌장암, 전립선암진단/치료, 유전자전달체 용으로 쓰임새....매년 세계시장 수요 311만불, 국내시장 8백만불--->2017년 세계시장869백만불, 국내시장1천만불 규모

##1968년 Gramiak R.과 Shah P.M.이 대혈관 내에 주입된 생리식염수를 통해 초음파 신호가 변화하는 것을 발견한 이래, microbubble을 통한 초음파 신호 증강 효과에 관한 연구가 시작되었다.

기체 상태인 bubble이 액체 상태의 혈액에 유입된 후 초음파에 노출되면 공명현상이 발생하는데이로 인해 초음파 산란이 발생되고 영상을 증가시키게 된다. 일반적으로 통용되는 초음파 조영제는 대개 적혈구보다 작은 1-10 um 전후의 크기를 가진 microbubble을 이용하여 만들어지며, 다양한 초음파(Ultrasound)를 이용한 진단 기술 및 치료 연구 동향 이정유 Page 4 / 10 종류의 microbubble의 발전으로 의료 진단용 기술로서의 초음파 연구가 더욱 활발해졌다. 특히 microbubble의 크기는 모세혈관을 통과할 수 있기 때문에 일반 정맥으로 주사한 후에 체순환을기대할 수 있고 이를 통해 목표 장기까지 도달할 수 있는 가능성을 열어주었다. 정맥을 통하여 초음파 조영제가 투여되면 혈관이나 장기로 조영제가 확산되면서 여러가지 조영 양상을 관찰할 수 있게 되며 이를 통해 얻은 이미지를 이용하여 질환을 감별할 수 있다. 조영제를 이용한 영상 증강 효과는 조영제의 도움 없이 촬영되는 기존의 흑백 초음파나 컬러도플러 초음파를 이용하는 것과 비교해 장기나 종양 내의 혈관 조영의 특징적인 현상을 한 차원 높게 구현할 수 있게 도와준다 [4]. 조영제의 도입은 특히 도플러 효과를 이용한 초음파 측정에 획기적인 발전을 가져다 주었다.조영제를 이용한 조영 증강 효과는 혈관을 통한 체내 기관의 관찰 및 혈류 변화를 측정할 때 주로쓰이는데, 컬러앰플리튜드이미징(colour amplitude imaging, CAI)과 함께 그 변화의 범위와 민감도를 좀 더 정확하게 측정할 수 있게 해준다 [5].

하모닉(harmonic) 영상 기법의 등장 역시 초음파 영상화를 발전시키는데 크게 기여하였다. 하모닉 영상기법 역시 조영제를 사용하지 않은 상태에서도 구현할 수 있지만 조영 증강제와 함께 사용하여 혈액 관류나 모세혈관의 혈류를 측정하는데 용이하게 사용된다. 하모닉 영상기법의 장점은 조영제가 가지고 있는 비선형적인 특성을 극복하고 잡음 신호를 감소시켜 기존의 초음파 영상과 비교에 뚜렷한 영상을 얻을 수 있는 점이다. 주로 사용되는 기법으로는 2차 하모닉 영상기법(second harmonic imaging), 펄스 역전 하모닉 영상기법(pulse inversion harmonic imaging)와 부호화 하모닉 영상기법(coded harmonic imaging)이 있다 [6].

기체 상태인 분자가 가지는 특성상 표면 장력의 변화와 외부 압력에 민감하기 때문에 혈액에서 안정성이 액체나 고체 상태의 조영제에 비해 낮은 편이고, 이로 인해 주사 후 원하는 타깃 지점까지 도달할 수 있는 microbubble의 농도는 결국 크게 감소하게 된다. 이러한 이유로 최근까지도 microbubble의 체내 안정성을 향상시키기 위한 다양한 연구가 진행되어 왔는데, 주로 shell 물질을 다양화하는 방법과 분자량이 크고 혈액에서 용해도가 낮은 기체를 사용하는 방법을 이용한다. Shell을 이루는 물질은 단백질, 지질, 고분자 등이며 단일 물질을 사용하여 surfactant와 함께 수용액 상에 분산시키거나 두 가지 이상의 물질을 결합하여 안정성을 높이기도 한다. 그림1에서 볼 수 있듯이 gas로 이루어진 core가 전체 부피 중 대부분을 차지하며 shell의 두께는 구성 물질에 따라 1 – 200 nm 사이로 형성된다 [7]. Shell의 일차적인 역할은 gas와 수용액 사이에서 물리적인 장벽을 이루어 gas의 확산을 막는 것이다. 지질로 이루어진 shell의 두께는 ~3 nm 정도로 다른 물질에 비해 얇은 막을 이룬다. 단백질로 이루어진 shell은 3차원 구조의 단백질 두께로 인해 15 - 20 nm로 이루어지며, 고분자의 경우 가장 두꺼운 구조를 형성하며 약 100 – 200 nm의 shell을 가진다. Shell을 기체 표면에 결집시키는 힘으로는 van der Waals 작용 및 소수성 물질 간의 작용이 원동력으로 작용하며 단백질이나 고분자의 경우 공유 결합을 통해 더욱 강한 결집력을 가질 수 있다

대표적인 초음파 조영제로는 Levovist®, Definity®, Optison®, Sonazoid®와 SonoVue® 등이 있다. 이러한 microbubble 조영제는 각기 다른 물질이나 조성으로 이루어진 shell을 가지고 있다. Shell을 이루는 물질은 기체와 액체의 계면에서 온도나 압력 변화에 의해 기체가 파열되지 않도록 구조적인 안정성을 주어야 하며 또한 체내의 면역 체계에서도 영향력이 적어야 한다. 친수성 분 자의 경우 원하는 지점에 도달하기 전에 면역 체계에 의해 처리될 가능성이 높아지기 때문에 주로 소수성 분자들이 연구되어 왔다. 그 외에도 생체 적합성이 인정된 알부민(albumin), 갈락토오즈(galactose)를 이용한 조영제가 개발되었다. 내부에 함유되어 있는 gas의 경우 일반적인 공기 또는 질소, sulphur hexafluoride (SF6), perfluorocarbon (PFC) 등이 사용되고 있다. 독일에서 개발되어 1세대 조영제로 각광받았던 Levovist는 혈관용 조영제로 99.9%의 갈락토오즈와 0.1%의 팔미트산으로 이루어진 shell을 가지고 있으며 내부에는 공기가 포집되어 있는 형태이다 [8]. 현재 우리나라에서 사용이 가능한 SonoVue (Braco, Italy)와 Sonazoid (Daiichi Sankyo, Japan)를 살펴보면 내부에 마이크로 크기의 기포를 가지며 기체표면을 둘러싸고 있는 지방질로 이루어져 있는 것을 알 수 있다. SonoVue는 물상에 용해도가 낮은 기체 상태의 SF6를 내부에 함유하고 있으며 외부는 phospholipidic monolayer로 이루어져 있다 [4, 9]. 동결 건조된 상태에서도 다시 복원이 가능한 점과 주변 세포에 의한 탐식 작용이 적은 것이 장점이다. 그 중에서도 SonoVue의 가장 큰 장점은 SF6에서 오는 상대적 안정성으로 인하여 여타의 장기뿐 아니라 압력이 높은 좌심실에서도 형태를 유지하여 시각화가 가능한 점이다. Bubble 하나의 평균 지름은 2.5 µm로 90%의 bubble들이 8 µm 이하로 구성되어 있다. 고농도의 SonoVue (5 × 108 bubbles/mL)는 의료용으로 이용 가능한 주파수 영역 (1,000-10,000MHz)에서 강한 echogenecity를 보인다. Sonazoid는 perfluorobutane (C4F10)을 core 물질로 함유하고 있다. PFC의 경우 carbon과 fluorine만으로 구성되어 있는 화합물인데 구조의 뼈대를 이루는 carbon-fluorine결합은 유기 결합 중에서도 강한 결합력을 가지고 있어 다른 분자와 반응성이 상대적으로 낮은 편이다. Shell 물질은 지질로 이루어져 있으며 크기는 SonoVue와 비슷하며 기존의 조영제에 비해 초음파 자극에 초음파 Ultrasound)를 이용한 진단 기술 및 치료 연구 동향 이정유 Page 6 / 10 의해서도 안정성을 오래 유지하는 특징을 가지고 있다. 그 외에도 현재 유럽과 미국에서 사용되고 있는 대표적인 조영제로 Lantheus사에서 개발한 Definity와 GE healthcare사에서 출시한 Optizon, 그리고 2014년에 FDA승인을 받은 Bracco사의 Lumason이 있다. Definity의 경우 core 물질로 octafluoropropane (C3F8)을 사용하고 있으며 외부는 hexadecanoic acid, 1-[(phosphonoxy)methyl]-1,2ethanediyl ester 등 다양한 종류의 lipid가 혼합되어 있다. Optizon은 알부민을 이용하여 분산된 octafluoropropane microbubble이다. 폐정맥의 도플러 신호를 향상 시켜주며 주로 심장 초음파 신호를 증강시키기 위해 이용된다. Lumason의 경우 지질로 이루어진 shell을 가지고 있고 내부에 SF6를 함유하고 있다. FDA의 발표에 따르면 표준 심장 초음파로는 진단이 어려운 환자의 좌심실과 심장 내막 영상화를 개선해주는 효과를 가지고 있다고 알려져 있다.

현재 의료용으로 판매되고 있는 초음파 조영제는 특정한 가스나 공기를 지질, 단백질 및 고분자 등으로 1 µm 이상의 크기로 안정화시켜 사용하고 있는 경우가 대부분이다. 최근에 발표되는 초음파 조영제의 연구 중에는 나노 크기의 버블을 이용하여 초음파 증강 효과를 검증하는 연구들도 다수 등장하고 있다. 나노버블의 경우 안정성이 유지되면 혈관에서 조직으로 스며들면서 특정 장기에 대한 조영 효과를 높이는 역할을 기대할 수 있다

최근에는 단순하게 질병을 진단하는 영역에서 벗어나 초음파를 이용하여 체외에서 비침습적 방법으로 질병을 치료하는 연구들이 시도 중에 있다 [10]. 초음파를 이용한 대표적인 치료법으로는 고강도 집속형 초음파(high-intensity focused ultrasound, HIFU)를 이용하여 체내 조직의 온도를 체온 초음파(Ultrasound)를 이용한 진단 기술 및 치료 연구 동향 이정유 Page 7 / 10 이상으로 가열하여(tissue heating) 세포의 괴사를 유도하거나 짧은 시간에 고온에 노출시켜서(ablative therapy) 조직을 제거하는 방법 등이 있다 [11]. HIFU를 이용하면 수 초 내에 장기의 온도를 증가시킬 수 있는데, 55°C 이상의 온도에서 1초 정도의 노출을 통해 조직 일부를 괴사시킬 수 있다. 이러한 초음파 치료법의 장점은 환자가 깨어있는 상태에서 수술이 가능하며 고통이 적고 체내에 다른 물질을 주입할 필요가 없다. 또한 종양이나 간, 신장, 뼈, 직장 등 다양한 장기에 접근이 가능하다. 1942년 처음으로 초음파를 이용한 질병 치료에 관한 가능성이 제기된 이래 꾸준한 기술적 발전이 이어져왔다

초음파로 인해 발생되는 열은 체내 조직의 에너지 흡수율과 열의 확산 및 대류 속도에 따라 각각 다르게 나타난다. 또한 기계에서 발생되는 주파수와 연속성, 펄스파의 주기 그리고 최고점간의 전압에 따라서도 온도의 증가 속도가 달라지게 된다. 이러한 차이점을 이용하여 목표에 따른 온도 변화를 적절하게 조절할 수 있다. 치료법 또한 다양한 시도가 이루어지고 있는데 조직의 온도를 직접적으로 올리는 방법 이외에도 조직 근처 부분을 타깃으로 하여 온도를 변화시킴으로써 생체환경 변화에 따른 세포 변화를 유도하기도 한다. 예를 들어 모세혈관의 투과성이 증가하거나 세포막을 이루는 지질이 온도 증가에 의해 유동화되면서 외부환경에 의한 세포의 민감도가 증가하거나 구조가 파괴된다 [10, 13, 14].

초음파 조영제를 약물 전달체로 이용하여 진단과 치료를 동시에 수행할 수 있는 입자의 개발도 이어지고 있다. 초음파를 이용한 약물전달체계는 몇 가지 중요한 장점을 가지고 있다. 앞서 설명했듯이 초음파는 체내 깊은 곳까지 침투가 가능하며 고강도 집속형 초음파 기술을 이용하여 특정 부위에 강한 초음파 자극을 줄 수 있다. 실제로 micelle, liposome 형태로 제조된 약물 함유 나노입자를 주입한 후 초음파 자극을 주면 자극이 없는 경우보다 세포로 전달되는 약물의 양이 초음파(Ultrasound)를 이용한 진단 기술 및 치료 연구 동향 이정유 Page 8 / 10 늘어나는 것을 확인할 수 있다. 이는 화학 약물뿐 아니라 DNA 등의 유전체 약물의 경우에도 효과를 발견할 수 있다 [15-17].

Microbubble은 주입 후 초음파 자극에 반응하여 수축과 확장을 반복하면 세포 외부에서 관성 공동화 현상(inertial cavitation)을 일으킨다. 관성 공동화 현상이 가까운 거리에 있는 세포막을 자극하게 되면 강력한 스트리밍을 발생시켜 세포막에 다수의 천공이 발생한다. 이러한 현상을 소노포레이션(sonoporation)이라고 한다 [18]. 소노포레이션 현상이 세포를 자극하는 것으로도 조직에 손상을 유도할 수 있으나, 조영제를 약물 전달체로 설계하여 주입한 후 세포막에 천공현상이 발생하면 세포 내 약물 전달 효율을 높일 수 있다. 결과적으로 같은 양을 주입했을 때 세포에 스며들 수 있는 약물의 양이 늘어나게 되어 치료 목적에 부합하고 경제적인 효과를 볼 수 있다. 또한 초음파 영상화를 이용하여 약물의 방출 위치를 가늠할 수 있는 이점도 가지고 있다. 그러나 microbubble을 이용한 약물 전달에 관한 연구는 몇 가지 한계점을 가지고 있다. 약물 전달체로 역할을 하기 위한 가장 중요한 특징 중 하나는 입자 자체의 안정성이다. Microbubble의 경우 shell에 의해 안정성이 크게 향상되더라도 고체입자나 액체입자에 비해 안정 지속도가 낮다. 특히 체내에서 온도와 압력 변화에 따른 영향을 크게 받아서 순환 과정 중에 많은 소실이 발생한다. 목표로 하는 지점까지 도달하지 못하고 microbubble이 붕괴될 경우 정상 세포에 약물이 방출되어 부작용을 초래하게 된다. 또한 내부가 기체로 이루어져 있어 약물을 내부에 봉입하기 어렵다. 또한 마이크로 크기로 인해서 혈관에서 암조직으로 흡수 되기 어려운 단점도 가지고 있다. 그럼에도 불구하고 초음파를 이용한 약물 전달 시스템은 여전히 매력적인 치료 방법 중 하나로 아직까지도 활발한 연구가 계속되고 있다. 최근에는 화학 약물뿐 아니라 전달 효율성이 떨어지는 유전체 약물을 조영제에 도입하여 전달률을 향상시키기 위한 연구도 진행되고 있다 [19].

Microbubble의 불안정성과 크기 관련한 단점을 보완하기 위한 노력 중 하나로 현재 가장 활발하게 연구되고 있는 주제 중 하나가 상변이 입자의 개발이다. 상변이 입자란 자극이나 온도, 압력 등 주변 환경의 변화에 의해 액체에서 기체로 변하는 입자를 말한다. 비록 echogenicity가 bubble에 비해 낮고 관성 공동화 현상을 유도하기 어렵지만 원하는 지점에서 폭발적인 약물 방출이 가능하다는 점에서 의미가 크다. 초음파 자극에 의해 상변이를 유도하기 위한 액체로는 다양한 종류의 PFC이 많이 이용된다. 앞서 설명했듯이 carbon과 fluorine의 강한 결합으로 이루어진 PFC은 다른 분자들과 반응성이 거의 없고 독성도 없다. 이러한 매우 안정한 특성 때문에 액체 상태의 PFC의 경우 다른 분자들과 응집력이 없어서 물에도 용해되지 않을뿐더러 다른 유기 용매와도 잘 섞이지 않는다 [20].

상변이 입자를 위해 널리 사용되는 perfluorepentane (PFP)의 경우 끓는 점이 29°C로 체온에서 쉽게 기체로 변하게 된다. 그러나 PFP가 shell과 함께인 상태로 nanodroplet을 형성할 경우 표면 장력의 영향과 shell의 응집력에 따라 끓는 점이 최고 80°C 가까이로 증가하게 된다 [21].

PFP의 이러한 특성을 이용하여 나노 크기를 유지하면서 초음파에 노출되면 수 초 내에 기포를 형성하는 입자들이 소개되었다 [22, 23]. 이러한 나노입자의 경우 체내에 주입한 후 microbubble에 비해 상대적으로 오랜 시간 혈관에 머물 수 있으며 나노 크기로 인해 혈관 내에서 조직으로 흡수될 수 있다. 따라서 원하는 지점에 축적될 수 있는 가능성도 높아진다. 또한 초음파 자극에 의해 상변이가 일어나면 초음파 영상화가 가능하여 입자의 추적도 용이하다 마지막으로 목표지점에서 초음파(Ultrasound)를 이용한 진단 기술 및 치료 연구 동향 이정유 Page 9 / 10 약물을 방출함과 동시에 초음파로 인해 세포 내 침투가 더욱 활발해지는 환경을 조성할 수 있다.

이와 같은 초음파를 이용한 약물 조절 방출 시스템에 관한 연구는 새로운 연구 분야로 자리잡고 있으며 이미 상당한 연구가 진행된 약물 전달 시스템 분야와의 결합을 통하여 따른 속도로 발전 할 것으로 예상된다.

Issue Date2012 Publisher연세대학교 대학원 Description의공학과/석사의공학과/석사

Abstract본 연구에서는 초음파 조영제를 자체 제작하고 다양한 분석을 통하여 제작된 초음파 조영제에 대한 유효성을 평가하였다. 초음파 영상은 피부로부터 거리가 먼 췌장 같은 조직은 관찰하기 어렵다. 따라서 초음파가 더 깊은 장기까지 볼 수 있고, 정확한 진단을 하기 위해서 반사 대비를 극대화시키는 문제를 해결하는 목적으로 초음파 조영제가 개발 되었다. 초음파 조영제는 선형 및 비선형적 특성에 의하여 신호의 SNR을 높여주며 이에 따라 내부 장기 및 혈관을 더 정확히 진단할 수 있도록 돕는다. 상용화되어 있는 초음파 조영제는 미세 기포로 구성되며 그 크기는 대부분 2-10 µm 범위이다. 이 기포는 안정성 확보를 위하여 Shell로 보호되어 있으며, Shell 물질로는 생물학적 적합성을 띄는 Protein, Lipid, Biopolymers 등으로 만들어 졌다. 이러한 기포 내부에 사용되는 기체로는 신체 내에서 물질적 부작용이 없으며, 불활성기체인 Perfluorocarbon gas가 사용된다. 이 Perfluorocarbon gas가 미세기포의 안정성을 유지하며 빠르게 파괴되는 것을 막아주는 역할을 한다. 본 연구에서 제작된 초음파 조영제는 기존에 Shell로 사용되는 Lipid 및 Albumin Shell을 사용하였으며, Perfluorocarbon gas로는 Perfluorobutane을 이용하여 초음파 조영제를 개발하였고, 시판 중인 초음파 조영제인 Definity와 Sonovue와의 비교를 통해 그 유효성을 평가하였다.본 연구에서는 초음파 조영제를 자체 제작하고 다양한 분석을 통하여 제작된 초음파 조영제에 대한 유효성을 평가하였다. 초음파 영상은 피부로부터 거리가 먼 췌장 같은 조직은 관찰하기 어렵다. 따라서 초음파가 더 깊은 장기까지 볼 수 있고, 정확한 진단을 하기 위해서 반사 대비를 극대화시키는 문제를 해결하는 목적으로 초음파 조영제가 개발 되었다. 초음파 조영제는 선형 및 비선형적 특성에 의하여 신호의 SNR을 높여주며 이에 따라 내부 장기 및 혈관을 더 정확히 진단할 수 있도록 돕는다. 상용화되어 있는 초음파 조영제는 미세 기포로 구성되며 그 크기는 대부분 2-10 µm 범위이다. 이 기포는 안정성 확보를 위하여 Shell로 보호되어 있으며, Shell 물질로는 생물학적 적합성을 띄는 Protein, Lipid, Biopolymers 등으로 만들어 졌다. 이러한 기포 내부에 사용되는 기체로는 신체 내에서 물질적 부작용이 없으며, 불활성기체인 Perfluorocarbon gas가 사용된다. 이 Perfluorocarbon gas가 미세기포의 안정성을 유지하며 빠르게 파괴되는 것을 막아주는 역할을 한다. 본 연구에서 제작된 초음파 조영제는 기존에 Shell로 사용되는 Lipid 및 Albumin Shell을 사용하였으며, Perfluorocarbon gas로는 Perfluorobutane을 이용하여 초음파 조영제를 개발하였고, 시판 중인 초음파 조영제인 Definity와 Sonovue와의 비교를 통해 그 유효성을 평가하였다

현재 항암치료의 가장 큰 실패 원인은 치료 방법의 효율성보다는 그 이후의 암의 재발과 전이에 있다. 즉, 2차암의 특징으로 일컬어지는, 화 학요법 이후 재발암의 항암치료에 대한 저항성과, 타 기관 등으로 전이된 암이 바로 이에 속한다.

본 연구팀은 이러한 항암치료의 근본적 취약점을 극복하고자 전이·저항암에 대한 효과적 치료를 위하여 나노메디슨 기술을 접목하려는 연구를 진행하고 있다.

이러한 일환으로 현재, 전이·저항암에 대한 표적형 항암 약물 전달체, 유전체 약물 접목 항암 약물 전달체 개발 등의 연구를 진행 중에 있다.== 항암-저항성 재발암 최적 약물 전달체

기존 항암치료 실패 후 효과적 치료 가능 재발암 표적형 항암 약물 전달체 항암치료와 동시에 전이 예방, 치료 가능

》 현재 수술 이외에 가장 기본이 되는 항암요법인 화학요법에 대한 가장 큰 치료 장벽인 항암 저항성을 효과적으로 해결하여 매우 효과적으로 치료할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 순환 암세포에 대한 표적능으로 전이암에 대한 예방과 치료 효과 또한 기대할 수 있다.

》 저항, 전이능을 보이는 메커니즘을 분석하여 유전체 약물(siRNA 등)을 함께 전달할 수 있는 전달체, 혹은 극대의 효과를 보이는 치료 시스템의 개발을 통하여 단순 1차적 암 치료를 넘어서 2차적 암의 예방과 치료, 그 예후까지 고려하는 신개념 약물전달 시스템으로써, 암의 진단 이후, 완치까지 포괄적으로 적용가능한 약물전달시스템의 새로운 패러다임을 구축할 것으로 기대한다.

》 현재 활발히 연구의 대상이 되고 있는 전이암, 저항암에 대한 국내 성과를 촉진시키는 자극제가 될 연구로 기대되며, 위에 언급한 바와 같이 획일적인 연구 트렌드를 뛰어넘어 단순 암 치료, 약물의 전달이 아닌‘유전체, 화학 약물의 접목을 통한 효과적인 전이·저항암 표적형 전달 체’라는 새로운 전략적 패러다임을 제시함으로써 세계 나노메디슨(약물전달시스템) 시장을 선도할 수 있을 잠재력을 충분히 지녔다고 생각한다.

>> 2017.01.13 "고용량 비타민C, 암세포 죽인다"=연합뉴스

(서울=연합뉴스) 한성간 기자 = 고용량 비타민C로 암세포를 죽일 수 있다는 연구결과가 나왔다. 미국 아이오와대학 종합 암센터 영상종양 전문의 개리 뷔트너 박사는 비타민C를 정맥주사로 투여, 혈중 수치를 대폭 높이면 암세포만 선택적으로 죽일 수 있다는 연구결과를 발표했다고 사이언스 데일리 등이 12일 보도했다. 비타민C를 정맥주사로 직접 투여하면 정상적인 대사와 배설의 과정을 거치지 않기 때문에 경구 투여보다 혈중 농도를 100~500배 늘릴 수 있으며 이러한 초고농도 비타민C는 암세포를 죽이는 능력을 갖게 된다고 뷔트너 박사는 밝혔다. 이 같은 사실은 시험관 실험과 쥐 실험을 거쳐 예비 임상시험을 통해 확인됐다고 그는 설명했다. 간암과 췌장암 환자를 대상으로 진행된 예비 임상시험에서 표준 항암치료(화학요법 또는 방사선 치료)와 함께 비타민C 정맥주사를 병행한 결과 환자의 전반적인 상태가 개선됐다. 환자들의 내약성에도 문제가 없었다. 비타민C 정맥주사가 암 환자의 생존율을 높이는 효과가 있는지를 알아내기 위해 연구팀은 현재 더 많은 암 환자들을 대상으로 본격적인 임상시험을 진행하고 있다. 비타민C의 이러한 효과는 비타민C가 분해되면서 형성되는 과산화수소가 조직과 DNA를 손상시키는데 정상 세포는 과산화수소를 최소한으로 줄이는 여러 가지 수단이 있지만, 암세포는 이러한 능력이 약하기 때문이라고 뷔트너 박사는 설명했다. 결국, 고농도 비타민C는 정상 세포에는 영향을 미치지 않으면서 암세포만 손상시킨다는 것이다. 비타민C가 분해하면서 생성되는 과산화수소를 제거하는 데 핵심적인 역할을 하는 것은 효소 카탈라아제(catalase)라는 사실도 밝혀졌다. 카탈라아제의 활동이 약한 세포는 고용량의 비타민C에 노출됐을 때 손상되거나 죽을 수 있다고 뷔트너 박사는 밝혔다. 따라서 카탈라아제가 적은 암세포일수록 고용량 비타민C가 효과가 클 것이라고 그는 덧붙였다. 이 연구결과는 '산화환원 생물학'(Retox Biology) 최신호에 발표됐다. skhan@yna.co.kr