암은 우리 사회의 괴물이다. 미국암협회(American Cancer Society)에 따르면 지난해에만 미국에서 60만 명 이상이 암으로 사망했다. 이 복잡한 질병을 이해하려는 끊임없는 노력은 덜 침습적이면서도 매우 효과적인 치료 절차를 개발하는 의학적 진보를 가져왔다. 그리고 최근 면역요법이 가능한 해결책으로 떠오르고 있다. 면역요법은 암세포와 싸우기 위해 신체의 면역체계 힘을 활용하는 것을 포함한다. 연구원들은 치료 절차를 획기적인 관행으로 개편하는 방법을 찾았다.

화학 공학 부교수 롱 통(Rong Tong)은 재료 과학 및 공학 부교수 웬준(Wenjun "Rebecca" Cai)와 협력하여 연구자들이 오랫동안 관심을 가져왔던 암 면역요법을 탐구했다. Science Advances 저널에 새로 게재된 기사에서 통(Tong)과 카이(Cai)는 신체의 면역 세포를 활성화하고 암세포를 공격하고 파괴하도록 재프로그래밍하는 접근 방식을 자세히 설명했다. 이 치료 방법은 단백질 사이토카인을 사용하여 시행되는 경우가 많다. 사이토카인은 세포간 생화학적 전달자 역할을 하며 신체의 면역 세포에서 방출되어 반응을 조정하는 작은 단백질 분자다.

"사이토카인은 면역 세포를 자극하여 암세포를 제거하는 데 강력하고 매우 효과적입니다. 문제는 그것들이 너무 강력해서 몸 전체를 자유롭게 돌아다니면서 만나는 모든 면역 세포를 활성화해 과잉 면역 반응을 일으키고 잠재적으로 치명적인 부작용을 일으킬 수 있다는 것입니다."라고 통은 말했다.

Tong과 Cai는 화학 공학, 재료 과학 및 공학 대학원생과 협력하여 잠재적인 면역요법 치료법으로 사이토카인 단백질을 사용하는 혁신적인 접근 방식을 개발했다. 이전 방법과 달리, 그들의 기술은 사이토카인의 구조와 반응성 수준을 보존하면서 면역 세포 자극 사이토카인이 몇 주 동안 종양 내에 효과적으로 위치하도록 보장한다.

암세포를 죽이기 위해 힘을 합친다
화학요법과 같은 현재의 암 치료법은 건강한 세포와 ​​암세포를 구별할 수 없다. 암에 걸린 사람이 화학요법으로 치료를 받을 경우, 치료가 신체의 모든 세포를 공격하므로 탈모, 피로 등의 부작용이 나타날 수 있다. 종양을 공격하도록 신체의 면역체계를 자극하는 것은 암 치료를 위한 유망한 대안이다. 사이토카인의 전달은 종양의 면역 세포를 활성화할 수 있지만 건강한 세포를 과도하게 자극하면 심각한 부작용이 발생할 수 있다.

과학자들은 사이토카인이 종양을 활성화하고 이에 맞서 싸우는 데 사용될 수 있다는 사실을 얼마 전에 확인했지만, 신체의 나머지 부분에 독성을 노출하지 않으면서 종양 내부에 위치시키는 방법을 몰랐습니다. 화학 엔지니어는 공학적 접근 방식에서 이를 살펴보고 자신의 지식을 활용하여 사이토카인의 효과를 개선하고 향상해 신체 내부에서 효과적으로 작용할 수 있다.

연구팀의 목표는 건강한 세포를 보존하면서 체내의 암세포를 죽이는 것 사이의 균형을 찾는 것이다. 이 목표를 달성하기 위해 Tong과 그의 학생들은 전문 지식을 사용하여 약물이 어디로 가는지 결정하는 데 도움이 되는 독특한 크기의 특수 입자를 만들었다. 이 미세입자는 신체에 주입된 후 종양 환경 내에 머물도록 설계되었다. Cai와 그녀의 학생들은 이러한 입자의 표면 특성을 측정하는 작업을 했다. "재료 과학 및 공학 분야에서 우리는 이 프로젝트를 위해 생성된 특수 입자와 같은 재료의 표면 화학 및 기계적 거동을 연구합니다. 입자 크기와 함께 표면 엔지니어링 및 특성화는 제어된 약물 전달에서 중요한 역할을 하며 약물 존재 기간을 연장하고 치료 효과를 지속시킵니다."라고 Cai는 말했다.

성공적인 약물 전달을 보장하기 위해 Tong과 그의 화학 공학 학생들은 다음과 같은 새로운 전략을 고안했다. 새로운 미세입자에 사이토카인을 고정해 사이토카인이 건강한 세포에 해를 끼치는 것을 제한한다. 새로운 입자에 고정된 사이토카인이 면역체계를 활성화하고 면역 세포를 모집하여 암세포를 공격하도록 만든다. 이 전략은 건강한 세포에 대한 사이토카인 유발 피해를 최소화할 뿐만 아니라 종양 내 사이토카인 보유를 연장시킨다. 이는 표적 종양 공격을 위한 면역 세포 모집을 촉진하는 데 도움이 된다.

프로세스의 다음 단계는 새로운 국소 사이토카인 치료법과 시중에서 판매되는 식품의약국(FDA) 승인 체크포인트 차단 항체를 결합하는 것이다. 이 항체는 조용히 자고 있는 종양 면역 세포를 재활성화하여 암세포와 싸울 수 있게 한다.

통 박사는 “몸 안에 종양이 생기면 몸의 면역 세포가 암세포에 의해 비활성화된다”고 설명했다. "FDA가 승인한 체크포인트 차단 항체는 종양이 면역 세포에 가하는 "브레이크를 해제"하는 데 도움이 되지만, 사이토카인 분자는 "가스를 밟아" 면역체계를 활성화하고 면역 세포군이 암세포와 싸우도록 한다. 이 두 가지 접근법은 함께 작용하여 면역 세포를 활성화한다. 체크포인트 항체와 입자 고정 사이토카인을 결합한 연구에서 많은 종양을 성공적으로 제거하는 것이 입증되었다.

암 치료에 대한 영향 공학
팀원들은 면역요법 치료에 대한 그들의 영향이 건강한 세포에 무해한 암 치료 접근법을 향한 더 큰 발전의 일부가 되기를 바란다. 연구팀에 따르면 사이토카인을 입자에 부착하는 새로운 접근법은 미래에 다른 유형의 면역자극 약물을 전달하는 데에도 사용될 수 있다고 한다.

통 박사는 “연구원들은 여전히 ​​더 안전하고 효과적인 암 치료법을 찾고 있습니다. 이러한 동기는 우리가 해당 분야에서 새로운 기술을 개발하도록 이끄는 원동력입니다. 암세포와 싸우기 위해 면역체계를 활성화하는 데 사용되는 모든 종류의 약물은 아직 대부분 성공하지 못했습니다. 우리의 목표는 연구자들이 사용할 수 있는 새로운 솔루션을 만드는 것입니다. 기존 FDA 승인 치료제로 이들 약물을 테스트하여 안전성과 향상된 효능을 모두 보장합니다."라고 말했다.

Cai는 암 치료 연구의 특성상 공학 분야 전반에 걸친 전문 지식이 필요하다고 말했다. Cai는 "나는 이 프로젝트가 화학 공학과 재료 과학의 완벽한 결합이라고 생각합니다. 전자는 합성 및 약물 전달 부분에 중점을 두고 있으며, 후자는 첨단 재료 특성화 적용에 중점을 두고 있습니다. 이번 협력은 면역요법 연구를 가속할 뿐만 아니라 암 치료를 변화시킬 수 있는 능력도 갖추고 있습니다."라고 이번 연구의 의미를 부여했다.

참조:
Liqian Niu, Eungyo Jang, Ai Lin Chin, Ziyu Huo, Wenbo Wang, Wenjun Cai, Rong Tong. Noncovalently particle-anchored cytokines with prolonged tumor retention safely elicit potent antitumor immunity. Science Advances, 2024; 10 (16) DOI: 10.1126/sciadv.adk7695