Special 창간 37주년 기념 특집 : 첨단 바이오 융합소재 개발 동향과 미래 전망(2)

체내 약물 침투 및 농도조절을 위한 무선 약물전달 시스템 개발

이효진_한국과학기술연구원 생체재료연구센터 책임연구원

최성근_한국과학기술연구원 생체재료연구센터 박사후연구원

1.    서 론

1-1. 약물전달 시스템 현황 

전 세계적으로 고령화가 가속화됨에 따라 암, 신경계 질환, 심혈관 질환, 당뇨병과 같은 난치성 및 만성 질환의 유병률이 급증하고 있다. 이러한 질환들은 장기적이고 반복적인 약물 투여를 필요로 하며, 약물의 전달 경로, 용량, 주기 등에 따라 치료 효과와 부작용의 정도가 크게 달라진다. 특히 고령 환자는 신진대사 기능과 생리학적 장벽이 변화함에 따라 기존의 약물 투여 방식으로는 치료 효과를 충분히 기대하기 어렵고, 오히려 부작용 위험이 높아질 수 있다. 또한, 뇌, 췌장, 종양조직 등 접근이 어려운 부위에 약물을 정확히 전달해야 하는 질환의 비중이 증가함에 따라, 기존의 단순 경구 또는 정맥 투여 방식만으로는 임상적 요구를 충족시키기 어렵다. 이에 따라 치료 효율을 극대화하고 전신 독성을 최소화하며, 환자의 복약 순응도를 향상시킬 수 있는 정밀하고 지속 가능한 약물 전달 기술의 개발이 필수적이다. 

약물 전달 기술은 치료 효율을 극대화하고 부작용을 최소화하기 위해 지속적으로 발전하고 있으며, 크게 약물전달체(carriers)와 약물전달용 디바이스(devices)로 구분할 수 있다. 약물전달체는 생체 내에서 특정 조직이나 세포를 표적으로 하여 약물을 안정적으로 전달하기 위한 시스템으로, 나노 및 마이크로 스케일에서 작용한다. 대표적으로 리포좀, 고분자 나노입자, 무기나노입자 등이 있으며, 이들은 약물의 안정성 유지, 방출 속도 제어, 생체적합성 측면에서 우수한 특성을 보인다. 최근에는 종양 미세환경, 염증 부위, 뇌혈관 장벽 등 특수 환경에 맞춰 반응하는 약물 방출 시스템으로 진화하고 있다.

한편, 약물전달용 디바이스는 물리적 구조 또는 전자적 제어 기능을 통해 약물의 방출 시점과 양을 정밀하게 조절하는 플랫폼이다. 생체삽입형 형태로는 서방형 약물 방출체나 전기화학 기반 디바이스가 있으며, 수개월 이상 안정적인 약물 방출이 가능하다. 웨어러블 형태로는 마이크로니들 패치나 인슐린 펌프처럼 피하 또는 표피를 통한 약물 전달이 가능하며, 최근에는 무선 통신 기술을 접목한 스마트 디바이스가 실시간 환자 상태에 따라 약물 방출을 조절할 수 있도록 개발되고 있다. 또한, 구강 점막, 비강, 안구 등 특수 경로에 적용 가능한 바이오접착제 기반 필름형 제형이나 약물 방출 콘택트렌즈와 같은 국소 전달 디바이스도 임상적 활용성이 높다.

최근에는 이러한 전달체와 디바이스 기술을 융합한 하이브리드 시스템의 개발도 주목받고 있다. 예를 들어, 마이크로니들에 나노입자를 탑재하여 피부 투과성과 표적화 능력을 동시에 확보하거나, 디바이스 내에서 나노입자를 자가조립하여 전달하는 방식 등은 정밀 의학의 실현을 위한 핵심 기술로 각광받는다. 이처럼 다양한 전달 전략은 약물의 화학적 특성, 질환의 위치와 유형, 환자의 생리학적 조건에 따라 맞춤형으로 설계되어야 하며, 고령화 사회와 복합 질환의 증가에 대응하는 정밀 치료의 기반이 되고 있다. 이러한 복합적 요구사항을 동시에 만족시키는 약물 전달 시스템을 개발하기 위해, 최근에는 정밀 농도 조절 기능, 심부 조직으로의 능동 침투, 이중 또는 다중 자극 반응성 시스템 등 고도화된 기술들이 제안되고 있다. 본 리뷰에서는 이러한 기술적 진보를 중심으로, 약물 농도 조절과 조직 침투성을 동시에 해결할 수 있는 전략들을 종합적으로 고찰하고자 한다.

1-2. 약물 전달 시스템 핵심 요소

약물 전달 시스템은 치료 효율성을 극대화하고 부작용을 최소화하기 위해 약물을 표적 부위에 정확하고 제어된 방식으로 전달하는 기술을 의미한다. 기존의 단순 투여 방식은 약물의 생체 이용률이 낮고, 비특이적인 분포로 인한 전신 부작용을 유발할 수 있다는 한계를 지닌다. 이에 따라 효과적인 약물 전달 시스템 설계를 위해 다음과 같은 핵심 요소들이 요구된다.

그림 1. 성공적 약물 전달을 위한 핵심 요소

첫째, 표적화 기술은 약물이 질환 부위에 선택적으로 도달하도록 하여 건강한 조직에 미치는 영향을 최소화하기 위한 기술을 말한다. 이를 위해 종양이나 염증 조직 특이적 수용체를 표적으로 하는 리간드-수용체 기반 시스템이나, pH, 효소, 온도와 같은 미세환경 반응형 시스템이 개발되고 있다.

둘째, 제어형 약물 방출 기술은 약물의 방출 속도와 지속 시간을 조절함으로써 약물 농도를 치료 범위 내에서 유지하고 반복 투여를 줄이는 것을 목표로 한다. 이를 달성하기 위해 다양한 방출 제어 기술이 적용되며, 그 예로는 나노입자 기반 서방형 제형, 전기화학적 또는 광유도 기반의 외부 자극 반응형 플랫폼이 있다.

셋째, 약물의 조직 침투성(tissue penetration)을 높이기 위한 기술은 특히 고형암이나 뇌혈관장벽(BBB)과 같은 물리적 장벽을 통과할 수 있도록 설계되어야 한다. 약물 크기, 표면 전하, 유연성 등 물리적 특성이 조직 침투에 영향을 미치며, 이를 보완하기 위한 표면 개질, 공동 전달체(co-carrier) 활용, 물리적 보조 시스템(예: 초음파, 전기자극)이 제안되고 있다.

넷째, 약물 안정성과 생체적합성은 전달체가 생체 내에서 약물의 구조와 활성을 유지하며, 독성이나 면역반응을 유발하지 않도록 하는 데 핵심적이다. 특히 단백질, RNA, DNA, 유전자 가위 등 불안정한 생체분자를 안정화하기 위한 전달체의 구조 설계와 저장 조건 최적화는 중요한 연구 분야이다.

1-3. 디바이스를 사용한 약물 전달 기술

위와 같은 필요성 및 요구특성을 달성하기 위하여 최근 디바이스 기반의 약물 전달 시스템이 주목받고 있다. 전신 투여의 한계를 극복하고 표적 조직에 직접 약물을 전달하기 위해, 부착형(wearable)과 이식형(implantable) 시스템이 각각의 핵심전략으로 개발 중에 있다. 약물의 전달 및 침투력을 증강시키기 위한 방법으로, 디바이스를 활용한 발열반응 이용, 전기적 자극, 광자극, 물리적 자극, 자기장 적용등의 기술이 있고, 전달체 소재를 적용한 기술들이 있다.  

그림 2. 외부 자극 및 소재 적용을 통한 약물 전달력 및 침투력 증강 전략[1]

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 7월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>