고려대학교 연구진이 암 치료의 대표적 한계로 지적돼 온 ‘저산소 환경’ 문제를 근본적으로 우회하는 새로운 광치료 전략을 제시했다. 암세포 주변의 물을 직접 산화시켜 활성산소를 만들어내는 방식으로, 치료 효과를 유지하면서 치료 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 동시에 구현했다.
기존 광역학치료는 빛을 이용해 활성산소종(ROS)을 생성함으로써 암세포를 사멸시키는 방식이다. 하지만 종양 내부는 산소 농도가 낮은 경우가 많아, 충분한 활성산소 생성이 어려웠고 그 결과 치료 효과가 크게 떨어지는 문제가 반복적으로 제기돼 왔다. 이를 보완하기 위해 산소 전달체나 복잡한 나노구조를 활용하는 접근이 제안됐지만, 구조 제어와 안정성 측면에서 한계가 분명했다. 고려대 화학과 김종승·우한영·곽경원 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 발상을 전환했다. 연구팀이 개발한 단일분자 광 테라노스틱스 플랫폼 ‘NDI-COE’는 암세포막에 안정적으로 삽입된 뒤, 빛을 받으면 세포 주변의 물을 직접 산화해 활성산소를 생성한다. 외부 산소 공급에 의존하지 않기 때문에, 저산소 환경에서도 활성산소 생성이 지속된다는 점이 핵심이다.
실험 결과, 정상 산소 환경과 저산소 환경 모두에서 유사한 수준의 활성산소 생성이 확인됐다. 이는 기존 광역학치료의 구조적 약점을 분자 설계 단계에서 해결한 사례로 평가된다. 이 기술로 생성된 활성산소는 암세포막을 손상시켜 파이롭토시스(pyroptosis)를 효과적으로 유도한다. 파이롭토시스는 세포막이 부풀어 오르며 파열되는 염증성 세포 사멸 경로로, 면역 반응과도 밀접하게 연결돼 있다.
특히 주목되는 점은 치료 과정이 ‘보인다’는 것이다. NDI-COE는 세포막에 삽입되면 형광을 띠어, 암세포가 파괴되는 과정에서 생성되는 파이롭토틱 소낭의 방출을 실시간으로 관찰할 수 있다. 치료와 동시에 이미징이 가능한, 이른바 테라노스틱스(치료·진단 통합) 기술의 가능성을 단일분자 수준에서 입증한 셈이다. 보도자료에 첨부된 개념도(4쪽)에서도 물 산화, 활성산소 생성, 파이롭토시스 및 소낭 방출 과정을 시각적으로 제시하고 있다. 연구팀은 물 산화 능력이 없는 유사 물질과의 비교 실험을 통해, NDI-COE가 활성산소 생성량과 저산소 환경 안정성에서 현저히 우수하다는 점을 확인했다. 이는 해당 물질이 단순한 광감각제가 아니라, 암세포막에서 직접 작동하는 ‘분자 광전극’처럼 기능할 수 있음을 시사한다.
김종승 교수는 “암세포 주변의 물을 활용해 산소 의존성을 극복한 새로운 광치료 전략을 제시했다”며 “치료와 이미징 기능이 결합된 기술로, 저산소 종양 치료뿐 아니라 면역 반응 연구로도 확장 가능성이 크다”고 설명했다. 이번 연구는 싱가포르 국립대, 성균관대 연구진과의 공동연구로 수행됐으며, 연구 성과는 화학 분야 최고 권위의 국제학술지에 게재됐다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 리더연구자지원사업이 연구를 뒷받침했다.
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