의료 및 기술 분야 차세대 방출 시스템을 위한 로타잔 구조 활용

로타잔을 이용한 약물 전달 및 자체 복구 재료

분자를 정확한 지점에 전달하는 것은 매우 어려운 작업이지만, 암 치료와 같은 많은 약물이 효과를 발휘하려면 필요합니다. 지금까지 대부분의 전달 시스템은 화학적 상호작용에 의해 활성화되거나 성능이 미흡한 경우가 많았습니다. 마찬가지로 자체 복구 재료는 기계적 스트레스에 노출될 때 복구 시스템을 방출해야 합니다. 영국 맨체스터 대학교 연구진이 발견한 로타잔이라는 새로운 분자 구조 덕분에 이러한 혁신이 가능해질 수 있습니다.

로타잔이란?

로타잔은 서로 얽힌 분자로, 원형(도넛 모양) 분자에 긴 폴리머가 중심을 통과하도록 구성됩니다.

출처: M stone at the English-language Wikipedia, CC BY-SA

맨체스터 대학교의 발견에서는 기계적 힘에 민감한 길고 복잡한 분자를 사용했습니다.

분자 사슬을 따라 관심 있는 이른바 “화물 분자”들을 파란색으로 표시된 이 도식에 묶었습니다:

출처: Nature

재료에 힘이 가해지면, 로타잔의 도넛 모양 부분이 밀려 화물 분자를 방출합니다.

이 로타잔 분자 모델은 힘과 방출 메커니즘을 동시에 감지하는 완벽한 탐지기가 됩니다.

출처: Nature

개선된 로타잔

힘에 의해 유도되는 화학적 방출 자체는 새로운 개념이 아닙니다. 그러나 기존 시스템은 방출할 수 있는 분자 수가 제한되어 있었으며, 힘 감지기당 하나의 분자만 방출할 수 있었습니다.

“힘은 자연에 어디에나 존재하며 다양한 과정에서 핵심적인 역할을 합니다. 우리의 목표는 이러한 힘을 활용하여 특히 재료 내구성 및 약물 전달 분야에서 혁신적인 응용을 실현하는 것이었습니다.”

“비록 이것은 개념 증명 설계에 불과하지만, 우리 로타잔 기반 접근법은 광범위한 응용 가능성을 지니고 있으며, 의료 및 기술 분야에서 진정으로 놀라운 발전의 문턱에 서 있다고 믿습니다.” – Guillaume De Bo, 맨체스터 대학교 유기화학 교수

대안으로 물리적 캡슐화 전략을 사용하면 더 큰 화물량을 전달할 수 있지만, 이러한 방법은 종종 비기계적인 원치 않는 방출에 노출됩니다.

새로운 로타잔 설계는 대신 한 번에 여러 분자(최대 5개)를 제어된 방식으로 방출할 수 있습니다.

실제로 방출은 기계적 스트레스(예: 휴대폰 화면에 충격이나 긁힘) 또는 표적 초음파에 의해 촉발될 수 있어, 종양 부위에서만 약물을 목표로 방출할 수 있습니다.

이전 시스템의 또 다른 제한은 방출 가능한 분자 종류가 제한되어 혁신적인 약물에 적합하지 않다는 점이었습니다.

연구진은 자신들의 Nature 과학 논문에서 이 시스템이 약물 화합물, 형광 마커, 촉매 및 단량체에 사용할 수 있음을 입증했으며, 이는 많은 잠재적 응용을 열어줍니다.

또한, 이러한 시스템은 정의된 순서대로 서로 다른 화물 단위를 방출할 수 있는 가능성을 제공합니다.

로타잔 응용 분야

바이오테크

가장 즉각적인 적용 분야는 약물 전달 시스템입니다. 현재 이 분야는 항체-약물 접합체의 사용이 증가하면서 주도되고 있습니다.

초음파 치료의 정확한 특성 덕분에 로타잔 기반 전달 시스템은 신체의 특정 지점에서만 약물을 전달할 수 있습니다. 이 시스템은 이미 강력한 광범위 항암제인 도옥소루비신 전달에 대해 테스트되었습니다.

초음파를 이용한 초기 연구 결과는 71%의 방출 효율을, 도옥소루비신 테스트에서는 65%의 효율을 보여주었습니다.

자체 복구 재료

금속부터 플라스틱까지 많은 재료가 기계적 스트레스, 균열 또는 충격을 받을 때 ‘자체 복구’할 수 있다면 큰 이점을 얻을 수 있습니다.

기계적 힘에 반응하는 로타잔은 스트레스가 가해지는 지점에서만 반응하므로, 손상이 더 심각해지기 전에 필요한 위치에 바로 복구 시스템을 방출할 수 있습니다.

이는 스크린, 금속 부품, 심지어 콘크리트까지 자체 복구가 가능한 가능성을 열어줍니다.

자체 복구 특성이 영원히 지속되는 것은 아니지만, 재료의 내구성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 특히 로타잔이 이미 소진된 상태에서 동일한 지점에 두 번 손상이 발생해야 복구 특성이 실패하게 됩니다.

센서 및 안전

이 새로운 로타잔 시스템은 형광 마커(및 잠재적으로 색상 마커)를 방출하는 데에도 사용할 수 있어, 보이지 않는 손상을 위한 ‘경고 시스템’으로 활용될 수 있습니다. 이는 실제 파괴가 발생하기 전에 구조물이나 기계의 기계적 스트레스나 금속 피로를 드러내는 데 매우 유용합니다.

또한 제약 또는 식품 제품과 같은 밀봉 또는 용기의 완전성을 입증하는 데에도 사용할 수 있습니다.

Rotaxane 기업

현재 로타잔은 주로 실험실에서 생산·연구되는 실험적 분자군에 불과합니다. 그러나 일부 기업은 자체 복구 재료와 초음파 기반 약물 전달을 실험하고 있습니다.

1. EXACT Therapeutics (EXTX)

이 바이오테크 스타트업은 음향 매개 치료(Acoustic Cluster Therapy 또는 ACT)를 활용해 암세포의 화학요법 흡수를 증가시켜 암을 치료하고 있습니다.

출처: Exact Therapeutics

이 회사는 현재 췌장암에 대한 임상 2상 및 대장암 2차 간 전이 환자에 대한 1상 임상 시험을 진행 중입니다.

현재는 음전하를 가진 마이크로버블과 양전하를 가진 마이크로드롭을 사용하고 있지만, 향후 로타잔을 활용해 더욱 농축되고 효율적인 약물 전달이 가능할 것입니다.

2. Arkema (AKE.PA)

프랑스 기업인 아르케마는 석유화학 회사 토탈에서 분사된 화학 제품 제조업체로, 접착제, 코팅제 및 첨단 재료에 집중하고 있으며, 각각 전체 활동의 약 1/3을 차지합니다.

특히 2009년부터 자체 복구 탄성체와 고무를 연구해 왔습니다.

이 회사는 다양한 화학 분야에서 활발히 활동하며 사실상 모든 산업에 사용됩니다.

출처: Arkema

아르케마의 전략은 각 분야에서 선두 공급자가 되는 것으로, 포트폴리오의 90%에서 세계 1위에서 3위 사이에 위치합니다.

오랜 기간 자체 복구 재료 분야에 존재해 왔으며 가치 있는 특허를 보유하고 있는 점을 고려하면, 향후 상업용 로타잔 기술을 도입할 주요 후보가 될 수 있습니다.

3. Autonomic Materials

출처: Autonomic Materials

비상장 사기업인 Autonomic Materials는 특히 부식 방지 코팅을 중심으로 자체 복구 재료에 특화되어 있으며, 다양한 적용 분야와 산업에 활용됩니다.

이 회사의 코팅 화학물질은 미세 균열이 발생하는 즉시 반응하여 손상의 확산을 방지합니다. 손상이 너무 크면 손상 영역의 가장자리를 다시 밀봉해 접착력 손실과 코팅 박리 현상을 방지합니다.

이 회사는 매우 높은 성능을 유지하면서도 VOC(휘발성 유기 화합물) 배출을 매우 낮게 유지한다고 주장합니다. VOC는 독성이 있어 산업 현장에서 안전 문제를 일으킬 수 있습니다.

출처: Autonomic Materials