자성나노입자의 바이오-메디컬 활용 현황

장 정 호 _한국세라믹기술원 미래융합세라믹본부 바이오IT융합센터 센터장

1. 서 론
치료 및 진단용 또는 생체 대체용으로 인체 내에 이식되어 사용되는 생체대체 산업은 의료기술이 발달하고, 인구의 고령화로 인한 사회의 의료복지 수요가 증가함에 따라 그 중요성이 크게 부각되고 있다. 특히, LOHAS(Lifestyles of Health and Sustainability)에 편승하여 신기능 생체소재의 개발만이 미래 고부가가치 산업을 선점할 수 있는 기회로 자리매김 됨으로써 생체소재개발은 큰 이슈가 되고 있다. 현재까지의 생체소재 개발은 고분자 중심으로 발전을 해왔지만, 생체적합성과 신기능성 발현으로 생체세라믹스 관련 소재를 중심으로 미국, 일본, 유럽 등의 선진국에서 기술개발이 주도되어 오고 있다.
국내 생체세라믹 산업은 전통적으로 뼈나 치아와 같은 인체 경조직이 손실되었을 경우, 이를 대체하거나 재생 시킬 수 있는 임플란트 소재 산업에 초점이 맞추어져 왔다. 초기에는 단순 대체목적을 가지고 강도 유지 등의 물성 확보에 주력하였는데, 최근 들어, 자연 모방구조를 이용하여 고강도 및 기능성을 향상 시키거나, 금속과 폴리머 등과 복합체를 형성하여 성장인자나 약물 등을 효율적으로 담지/방출하여 빠른 조직 재생을 유도할 수 있는 지능형 임플란트 소재 산업으로 변화하고 있다.
또한, 2008년 이후부터는 생체세라믹 산업의 범주가 크게 확대되어 오고 있다. 기존의 경조직 관련 소재산업 이외에, 바이오 마커(항체), 핵산(DNA, RNA), 단백질 및 효소 등의 생체분자를 고효율 및 고감도로 분리/진단 하는 영역까지 산업이 확대되어 오고 있다. 이 분야는 Merck, Biomet, Kyocera, Roche 등의 선진 대기업 등에서 세계시장을 석권하고 있는 분야이며, 특히 몇 개의 대기업(Invitrogen, Promega)들은 불과 10년 전에는 작은 벤처기업 수준이었으나, 신기능 세라믹스의 도입/개발을 통해, 현재 대기업 수준으로 비약적인 발전을 하였다. 일반적으로 바이오 관련 산업은 투자대비 회수기간이 길고, 시장 규모가 작으며, 위험도가 높다는 인식을 갖고 있지만, 매년 산업성장율은 타 산업에 비해 월등한 수치를 보여주고 있다. 이는 향후 바이오산업이 고부가가치 미래 산업의 핵심으로 자리매김을 할 수 있다는 것을 예시한다.

본고에서는 여러가지 생체세라믹 소재 중에서도 최근 큰 이슈가 되고 있는 자성 나노입자(magnetic nanoparticles)를 이용한 바이오-메디컬 응용 관련 기술개발 현황을 고찰 해 보고자 한다. 자성 나노입자는 일반적인 나노입자가 갖는 특징인 단위부피당 표면적이 넓어 감도가 우수하다는 것 이외에, 다른 나노입자에 비해 화학적 안정성이 우수하며, 바이오 탐침(bioprobe)으로 사용될 때, 반복 측정이 가능하고, 자기장에 의해 위치 조작이 가능하다는 장점 또한 갖고 있어서, 자기공명영상(magnetic resonance imaging, MRI), 약물전달(drug delivery), 발열치료(hyperthermia), 생체물질검지 등과 같은 바이오-메디컬 분야에 활용되고 있다.

그림 1. 솔-젤 공정에 의한 기능성 실리카 코팅 자성나노입자 제조

2. 본 론
자성 나노입자의 합성 방법은 여러가지 방법들이 이미 알려져 있지만, 본고에서는 자성 나노입자에 실리카 전구체를 사용하여 금속 알콕사이드의 가수분해(hydrolysis)와 축합(condensation) 반응을 통해서 금속산화물을 제조하는 솔-젤 공정을 이용한 방법을 언급하고자 한다. 또한 기능성 발현을 위하여 실란화 반응을 도입하는 경우 실리카 표면과 커플링 시료로서 실란 고분자가 응축되어 자성나노입자 표면의 Si-OH와 축합 및 탈수반응을 통해서 결합이 형성된다. 그림 1에 개략적인 공정도를 나타내었다.
또한, 자성 나노입자와 실리카 코팅 자성 나노입자의 미세구조를 관찰하기 위해 투과전자 현미경으로 이미지를 분석한 결과, 자성 나노입자에서 선명한 큐빅구조를 가지는 마그네타이트 결정을 확인하였고, 평균 입자크기는 6-7nm정도의 완전한 구형은 아니지만, 거의 구형에 가까운 형태를 띠고 있었다. 실리카 코팅 자성 나노입자는 가운데 점 같은 마그네타이트를 중심으로 구형의 실리카가 코팅되었고, 실리카 코팅 막의 두께에 의해 입자의 크기가 증가하였다(그림 2).

그림 2. 자성나노입자의 투과전자현미경 사진 (a : 마그네타이트, b : 실리카 코팅자성입자)

본 고에서는 합성된 자성 나노입자를 이용한 바이오-메디컬 응용 분야 중에서는 초고속 핵산 분리, 선택적 단백질 분리/정제, 질병 진단용 프로브 및 효소 모방형 촉매활용에 사용되는 현황에 대하여 소개하고자 한다.

(1) 초고속 핵산 분리/정제(High Throughput Nucleic Acid Separation/Purification)
다양한 임상시료로부터 생체분자를 분리/추출하는 과정은 매우 중요한 공정으로서, 분리/추출 시 순도, 수율, 안정성, 방해요소 제거, 민감도, 시료간의 교차오염 등을 고려하여야 한다. 현재 많은 분리/추출 방법들이 개발되어 상품화되었고, 자성비드(magnetic bead)나 실리카기질(silica matrix)을 이용한 핵산포획 기술이 발전하면서 고속처리(high-throughput) 방식의 분리/추출 및 자동화 시스템의 개발이 요구되고 있다. 대표적인 상용화 키트는 Sierra Diagnostics의 DNA/ RNA ProtectTM, Becton Dickinson의 BD VacutainerTM, CPTTM, PPTTM, Medical Packaging Corporation의 NATTM 등이 있다. 현재 대표적으로 사용되는 실리카 멤브레인 소재는 단순 물리흡착에 의한 분리/추출을 하는 것으로, 부가적으로 원심분리 및 진공장치가 필요하기 때문에 새로운 대안으로서 자성비드를 이용한 고속 분리연구가 진행되고 있다.
일반적으로 DNA와 기능성 자성나노입자의 결합은 정전기적 상호작용(Electrostatic interaction)의 작용으로 흡착이 일어나게 된다. DNA는 전체적으로 5′말단의 포스페이트(phosphate) 그룹으로 인하여 음전하를 가지며 아민 그룹이 치환된 기능성 자성 나노입자는 양전하를 가지게 된다. 이 양전하의 차이로 인해 서로 끌어 당겨서 입자표면에 DNA가 흡착하게 되는 것이다. 전위차가 클수록 정전기적 상호작용은 더욱 커져서 흡착효율(adsorption efficiency)은 크게 나타나게 된다. 따라서 기능성 자성나노입자의 표면을 양전하 값이 큰 아민기를 도입하면 흡착효율이 클 것으로 기대된다.
그림 3은 추출한 human DNA와 아민기가 합성된 기능성 자성나노입자의 결합력을 비교하기 위하여 전기영동을 이용하여 흡착력을 확인한 것이다. 아민의 수가 증가할수록, 즉, 모노아민(momo-) 보다는 디아민(di-)이, 디아민 보다 트리아민(tri-)의 흡착이 더 잘되는 것으로 나타났다. 이것은 아민의 그룹의 수가 human DNA와의 흡착과 관련이 있다는 것을 보여준다. 아민의 그룹의 수가 많을수록 음전하를 갖는 human DNA와 보다 강한 상호작용이 일어나며, 이는 모노아민, 디아민, 트리아민 순으로 human DNA 흡착에 훨씬 좋은 작용기라는 것을 보여준다. Human DNA와 기능성 자성 나노입자와의 흡착도 중요하지만 탈착 역시 중요하다. 그림 4는 기능성 자성 나노입자와 DNA와의 탈착을 전기영동으로 확인하여 분리효율을 그래프로 나타낸 것이다. 흡착 원리는 정전기적 상호작용이지만, 탈착 원리는 염화나트륨에 의한 염효과(salt effect)가 크게 작용하는 데, 탈착할 때는 상호 정전기적 인력보다는 이온들이 입자의 표면에 붙는 성질이 더 강하게 되는 특성을 이용하는 것이다. 염화나트륨이 물에 녹아 이온화가 되면 이온들이 입자의 표면을 감싸게 되고 기능성 자성 나노입자에 붙어있는 human DNA를 떼어내게 된다. 이때 NaCl의 농도에도 영향을 받게 되는데 농도가 진해 질수록 탈착률이 증가하였다. 모노아민의 탈착율이 디아민이나 트리아민보다 크다는 것을 확인하였는 데, 이는 상대적으로 human DNA와 기능성 자성나노입자 간의 정전기적 상호작용이 작기 때문이다. 그림 5는 염색시약을 이용하여 아민의 수에 따른 DNA 흡착량 비교를 공초점현미경(confocal microscope)를 이용하여 나타낸 것이다.

표 3. 생체분자(핵산) 추출 방법

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그림 3. 아민의 종류에 따른 Human DNA 흡착효율 및 전기영동 사진

그림 4. 금속염(NaCl)에 따른 Human DNA 탈착효율 및 전기영동 사진

그림 5. DNA를 흡착한 아민기 치환 자성입자를 염색 후 얻은 공촛점 현미경 사진

(2) 선택적 단백질 분리/정제
자성 나노입자를 이용한 단백질 분리 공정은 대상 단백질과의 결합력이 우수한 리간드(ligands) 또는 작용기들을 자성입자의 표면에 고정화 한 후, 혼합 용액상에서 대상 단백질들을 선택적으로 인식하여 결합하고, 이를 자력을 이용하여 자성입자만을 분리해 내고, 다시 탈착 시키는 것으로 이루어져 있다. 본 고에서는 단백질 중에서 대표적으로 잘 알려진 혈청알부민(bovine serum albumin)과 리소자임(박테리아 용해 효소)을 대상으로 여러가지 표면 처리를 통한 기능성 자성 나노입자를 이용하여 분리하는 내용을 소개하고자 한다. 자성 나노입자의 표면은 다양한 작용기들로 치환 할 수 있으나, 실제 단백질 상호작용에서와 유사하게 티올(thiol)기가 효율이 가장 좋다고 알려져 있다. 그림 6과 같이 티올기를 자성나노입자 표면에 치환을 시킨 후, pH 변화에 따른 혈청알부민(BSA) 와 리소자임(LSZ)의 흡착 효율을 평가해보니, BSA는 약산성에서, LSZ는 염기성에서 흡착 효율이 높게 나왔다. 이것은 BSA와 LSZ 단백질의 고유 활동도와 연관이 있는 데, BSA는 pH 4.65에서, LSZ는 pH 11에서 활동도 값이 가장 큰 것으로 알려져 있다. 티올기가 치환된 자성나노입자를 이용하는 경우, 대상 단백질의 흡착 효율이 해당 pH에서 90% 이상의 효율을 보였다. 단백질 분리공정은 대상 단백질의 효율적인 흡착과 탈착 공정을 포함하고 있기 때문에, 우수한 흡착능력은 일단 분리효율을 높이는 선결조건이 된다. 또한 중요한 문제는 흡착된 대상 단백질들을 효율적으로 탈착 시키는 것이다. DNA와 같은 핵산의 경우에는 금속염을 첨가하여 자성나노입자 표면의 작용기와 DNA의 정전기적 결합(electrostatic interaction)을 상쇄하여 탈착 시키는 데, 단백질의 경우에는 금속염 보다는 글리신을 이용하여 탈착을 시키는 것이 더 효율적이다. 단백질 분자의 크기로 볼 때, 리소자임(14.3kDa) 보다는 혈청알부민(66kDa)의 크기가 상대적으로 4배 정도 크기 때문에, 금속염(NaCl)을 사용한 경우도 탈착을 확인할 수 있다. 그러나 분자의 크기가 작은 리소자임의 경우에는 금속염에 의한 탈착 효율의 효용성이 매우 낮은 것으로 나타났다. 일반적으로 글리신을 사용한 경우에 탈착효율이 좋은 것으로 나타난다. 그림 6(c)는 혈청알부민과 리소자임을 혼합한 시료로부터 해당 pH에서 혈청알부민과 리소자임을 각각 선택적으로 분리한 결과이다.

그림 6. (a) 티올기 치환 과정, (b) pH에 따른 모델 단백질의 흡착효율, (c) SDS-PAGE 이미지

(3) 질병 진단용 프로브 및 생체 모방형 촉매
자성 나노입자를 이용한 질병진단용 프로브 개발은 자성 나노입자에 리간드나 항체 고정화 기술에 크게 영향을 받는다. 특히, 리간드 및 항체 고정화 단계는 세라믹 소재와 같은 고체 지지체를 기반으로 하는 생물 분석 공정이나 바이오센싱 연구에서는 핵심적인 역할을 한다. 리간드 및 항체 고정화 결합은 공유결합을 이용하여 자성 나노입자 표면과 매우 강하게 결합된다. 진단용 프로브는 대상 질병분자와 선택성을 갖는 리간드나 항체를 고체 지지체에 고정화 시키는 데, 이 때 중요한 것은 리간드와 항체를 효율적으로 많이 고정화 시켜 센싱 감도를 증진 시키는 것이다. 고체 지지체의 표면 특성을 고려하여 리간드와 항체의 말단 부분을 결합하기 좋게 디자인 하는 방법이 주류를 이루지만, 표면 특성상 고정화 시키는 양이 제한되는 문제점이 있다. 다른 방법으로는, 리간드와 항체를 고체 지지체의 표면에 직접 고정화 시키지 않고, 결합사이트가 많은 단백질 링커를 먼저 고체 지지체에 고정화 한 후 여기에 리간드와 항체를 고정화 시키는 방법이다. 그림 7은 B형 간염을 진단 하기 위하여 항체의 링커로 사용되는 단백질 G를 모노머, 다이머, 트라이머로 만든 후 이것을 자성 나노입자 표면에 고정화 시킨 후 B형 간염 항원인 HBsAg를 인식하는 항체를 고정화하여 진단하는 과정을 나타낸다. 이 방법은 HBsAg 항원이 결합 할 수 있는 부분을 단백질 G의 구조에 의해 제어 할 수 있어 결과적으로 감도를 제어할 수 있는 장점이 있다.

그림 7. 단백질G가 치환된 자성나노입자를 이용한 B형 간염 진단--<생략>

끝으로, 인체에 독성을 유발 시키는 오염원들을 효율적으로 제거시키는 방법으로 생체 모방형 자성 나노입자가 활용되는 예를 소개 하고자 한다. 주요 환경 오염물질 중의 하나인 방향족탄화수소는 토양과 지하수 등에 유입되어 환경과 인체에 독성을 일으킨다. 이를 제거하기 위한 방법으로 오존(O3) 및 자외선(UV) 등을 이용하는 물리적인 공정들이 주로 사용되고 있으나, 분해물의 잔류독성과 고비용 등의 문제가 제기되고 있다. 이를 해결 하기 위하여 사용성이 우수하고 경제적인 방법으로, 리간드나 항체가 아닌 미생물 유래 산화효소 단백질을 자성 나노입자에 고정화 시켜 독성을 줄이는 방법이 개발 되었다. 그림 8과 같이 효소-자성나노입자 복합체는 니켈이온(Ni2+)으로 표면이 기능화된 실리카 코팅 자성나노입자에 히스티딘 잔기가 치환된 산화효소를 선택적으로 결합시킴으로써 자연적으로 분해가 어려운 고농도의 방향족탄화수소를 빠르고 효과적으로 제거할 수 있는 장점을 가지고 있다. 실제로 카테콜이라는 방향족 독성 물질을 2시간 안에 분해하는 성과를 나타내었다.
이 방법은 기존의 물리적인 처리공정에서 수반되던 잔류독성 문제를 획기적으로 개선시켰을 뿐만 아니라 자성을 이용한 편리성과 효용성을 증진시킨 기술로서, 자성 나노입자에 리간드나 항체 이외에도 미생물 유래 단백질을 고정화 시켜 바이오 메디컬 분야 및 환경분야에서 유용하게 사용할 수 있는 계기가 되었다.

그림 8. 효소-자성나노입자 복합체를 이용한 카테콜 분해 --<생략>

3. 결 론
앞서 살펴본 바와 같이 자성 나노입자의 사용은 편리성과 경제적인 유용성을 모두 충족 시켜줄 수 있는 세라믹 소재이다. 특히, 바이오 메디컬 분야에서 초고속 핵산/단백질 분리를 비롯하여 리간드나 항체 고정화 방법을 이용한 진단용 프로브까지 분리/진단 소재로 활용성이 매우 크다. 또한, 본 고에서 소개하지 않은 분야로 조영제와 같은 분자영상 진단(molecular imaging)용 소재 및 약물을 원하는 부위에 효과적으로 전달하는 표적 지향성 약물전달시스템(targetable drug delivery system)용 소재로서도 활용되고 있어 적용스펙트럼이 매우 큰 소재로 대두되고 있다.
자성 나노입자를 이용한 초고속 핵산 분리/진단 기술은 생물 정보학, 컴퓨터과학, 분석법의 소형화 기술과 연계되면서 빠른 속도로 발전하고 있으며, 핵산 추출 전과정을 자동화 하는 시스템 개발로 이어지고 있다. 또한 진단기술로의 활용은 자성을 이용한 편리성과 선택적 리간드 및 항체 결합을 통해 민감도와 재현성을 높여 다중시료를 초고속으로 동시 분석하는 방향으로 트렌드가 형성되고 있다. 자성 나노입자를 이용한 진단 프로브의 개발은 아직 초기 단계이나 나노과학, 영상과학 등의 발전과 더불어 새로운 진단 및 치료기술을 가까운 미래에 제공할 것이다.
핵산, 단백질, 항체 등의 컨텐츠를 가지고 있는 바이오 기업들이 자성 나노입자 소재와의 연계성을 높여 연구개발을 한다면, 기술융합시대를 맞아 새로운 형태의 혁신적인 바이오제품 출시를 통해 더 큰 시장 및 고부가가치를 만들 수 있는 기회를 잡을 것이다.

장 정 호
- 2000년  충북대학교 화학과(박사)
- 1999~2002년  미국 Pacific Northwest National Laboratory 연구원
- 2002~현재  한국세라믹기술원 바이오IT융합센터장(책임연구원)

<본 사이트는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아를 참조바랍니다.>