샤워실에서 바다로: 미세플라스틱의 위험성 자각

플라스틱 오염은 전세계의 심각한 문제가 되었으며 돌이킬 수 없는 환경 피해를 일으키고 있습니다. 1μm~5mm 크기의 플라스틱 조각인 미세플라스틱 입자(또는 미세플라스틱)는 새롭게 주목을 받고 있는 오염 물질로, 심각한 환경적 우려를 일으키고 있습니다. 미세플라스틱 노출에 관한 2022년 세계보건기구(WHO) 보고서는 바다, 공기, 토양, 음식과 음료에 축적된 미세플라스틱의 흔한 특성을 강조합니다.

미세플라스틱은 1차 또는 2차 원천에서 생성될 수 있습니다. 1차 미세플라스틱은 크기가 5mm 미만이며 화장품 및 세제의 미세플라스틱 조각과 합성 섬유의 마이크로 섬유 등에서 발생합니다. 2차 미세플라스틱은 더 큰 플라스틱 입자가 분해되어 형성되며 크기와 구성이 보다 불균일합니다. 2차 미세플라스틱의 예로는 차량용 타이어의 잔해와 페인트, 도로 표시, 해양 코팅 및 마이크로 섬유에서 방출되는 입자가 있습니다.

미세플라스틱의 출처와 생성 및 운명을 가늠하는 것은 미세플라스틱이 환경에서 왜 그렇게 흔한지를 이해하기 위해 중요합니다(그림 1). 플라스틱에 대한 수명 주기 접근 방식을 고려하면 각 단계에서 플라스틱 제품이 다음에 미치는 잠재적인 영향을 고려하고 생산과 소비 체계의 모든 부분에서 주요한 분쟁 지점을 파악할 수 있습니다.

• 기후
• 생태계
• 건강
• 경제

미세플라스틱은 섭취, 흡입 또는 피부 노출을 통해 유기체에 흡수될 수 있습니다. 미세플라스틱 및 이와 관련된 화학 물질과 첨가제는 만성 염증성 질환과 암과 같은 영역에서 수많은 건강상의 부정적 영향을 미치는 것으로 여겨지고 있습니다. 미세플라스틱이 해양 생물에 미치는 영향에 대한 증거는 먹이와 광합성 감소에서 번식 감소에 이르기까지 다양합니다. 미세플라스틱은 독성 화합물과 금속을 운반해 추가적인 피해를 유발할 수 있습니다.

경종은 이미 울리고 있습니다. 이제 우리는 미세플라스틱과 관련된 위협을 자각해야 합니다. 대처할 수 없을 것처럼 보이는 이 문제를 해결하기 위해 우리는 충분히 노력하고 있을까요?

미세플라스틱 관련 게재 동향

미세플라스틱, 마이크로 섬유 및 관련 주제와 연관된 CAS Content Collection™의 데이터를 분석한 결과 약 9,500건의 기사로 구성된 최종 풀이 생성되었습니다. 간행물 동향을 보면, 2011년(n=81)부터 2021년(n=2,811)까지 10년 동안 미세플라스틱 간행물이 30배 넘게 증가한 반면 특허 수는 같은 기간 동안 안정적으로 유지되었음을 알 수 있습니다(그림 2).

CAS 데이터에 따르면 미세플라스틱과 관련된 문헌을 주도적으로 발표하는 국가는 중국이며 미국, 독일, 한국, 이탈리아가 그 뒤를 잇고 있습니다(그림 3).

미세플라스틱 연구에 등록된 상위 ​​5개 물질은 에텐 호모폴리머(폴리에틸렌), 폴리스티렌, 1-프로펜 호모폴리머(폴리프로필렌), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 폴리염화비닐(PVC, 그림 4)인 것으로 나타났습니다. 셀룰로스는 역설적이게도 (전자, 생의학 및 미세플라스틱 제거와 같은 응용 분야에서) 폴리머 대체물로 사용되고 미세플라스틱 형태로 셀로판 및 레이온 섬유에 존재하기 때문에 재생 셀룰로소 형태로 연구 결과에서 등장한 또 다른 중요한 물질이었습니다.

미세플라스틱 과제 극복

이제 남은 질문은 자연 환경에서 미세플라스틱과 맞서 싸우기 위해 무엇을 할 수 있을까라는 것입니다. 해양 환경에서 미세플라스틱을 제거하기 위해 특별히 제안된 방법에는 선박 시스템, 폐기물 수집 시스템을 개발하고 심지어 미세플라스틱 때문에 홍합의 배설물을 해수면에 띄우는 방법도 포함됩니다. 그러나 물을 모으는 방법은 어려울 수 있으며 이러한 방식으로 기존의 미세플라스틱을 직접 제거하려는 노력은 제한적이었습니다.

미세플라스틱이 환경에 유입되는 것을 막을 수 있는 실행 가능한 접근 방식에는 폐수 처리장, 마이크로 섬유를 수집하는 세탁기의 세탁 부속품을 이용하고, 마찰을 최소화하거나 의류의 기계적 무결성을 개선하기 위해 의류 제조 공정을 변경하는 것이 포함됩니다.

CAS 간행물 분석의 미세플라스틱 제거와 관련된 인기 키워드로는 '여과', '폐수 식물(WWTP)' 및 '막생물 반응기(MBR)'가 있습니다(그림 5). 2010년 중반 이후 대부분의 키워드를 포함하는 간행물의 양이 크게 증가하여 문제에 대한 즉각적인 반응을 확인할 수 있었고, 미세플라스틱 제거와 관련한 연구 노력은 일반적인 미세플라스틱 연구와 비슷한 속도로 증가하는 것으로 나타났습니다.

아마도 가장 중요한 것은 우리가 일상 생활에서 플라스틱 사용을 줄이는 것일 겁니다. 제로 웨이스트 매장 및 윤리적 패션 브랜드와 함께 샴푸 바 및 대나무 스폰지와 같은 생분해성 또는 지속 가능한 대안이 모두 인기를 얻고 있습니다.

미세플라스틱 오염과 맞서 싸우려면 과학자, 연구원, 기업가, 정부 및 대중의 장기적인 헌신과 공동의 노력이 필요합니다. WHO에 따르면 미세플라스틱을 제거하는 노력을 방해하는 요소에는 증거의 질이 탄탄하지 않은 것으로 간주되는 기존 데이터의 단점 등이 있습니다.

법적 구속력이 있는 활동과 함께 신체 조직에서 미세플라스틱을 제거하는 것을 포함하여 미세플라스틱이 건강에 미치는 진정한 영향을 파악하기 위해 더 많은 현장 및 실험실 연구를 수행해야 합니다. 또 다른 최우선 과제는 더 작은 입자(나노플라스틱)를 감지할 수 있는 분석 도구를 개선하는 것입니다.

전문가들은 미세플라스틱 문제를 해결하기 위한 수많은 방법을 인식하고 있지만 미세플라스틱 제거를 위한 자금 조달과 관련된 수익성 부족이 주요한 과제로 남아 있습니다. 재정 지원과 플라스틱 사용에 대한 규제 법안을 강화함으로써 보다 지속 가능한 플라스틱 경제와 더 깨끗하고 건강한 미래를 향한 진전을 앞당길 수 있습니다. CAS의 미세플라스틱 통찰력 보고서에서 더 자세한 내용을 읽어보십시오.

합성 유기 화학에 대한 이 세부 동향 보고서는 중국 자연과학 재단 및 중국 과학원 산하 국립 과학 도서관과의 협력으로 Organic Letters와 Journal of Organic Chemistry에 발표되었습니다. 이 간행물은 CAS 컨텐츠 컬렉션 내 알려지지 않은 연결 관계와 새로운 기회를 검토합니다. 효소 촉매, 광촉매 작용, 그린 케미스트리 등 세 가지 중요한 연구 영역이 선택되었습니다. 이 자료는 연구원과 의사 결정권자가 이 분야에 대한 전세계 연구 노력의 최신 동향을 이해하고 향후 유기 합성에 대한 잠재적인 전망과 응용 가능성을 예측하는 데 도움이 될 것입니다.

엑소좀은 세포에서 정상적인 생리 작용의 일부로 또는 지질 이중층 세포막으로 감싼 특정 병리 현상에서 배출되는 나노 크기의 세포외 소포입니다. 사람 혈장에서 처음 “혈소판 미립자(platelet dust)”로 발견된 엑소좀은 대부분의 진핵 세포에서 분비되며 다양한 생리적, 병리적 프로세스에 관여하는 것으로 알려졌습니다.

이전 블로그에서 엑소좀에 대한 개괄적인 설명과 함께 약물 전달 및 진단 분야에서 엑소좀을 활용할 수 있는 방법을 소개했습니다. 이 게시물은 3부 구성 블로그 시리즈의 마지막으로, 이 분야에서 진행되고 있는 다양한 엑소좀 연구에 대해 알아보고 이 역동적인 분야의 주요 개발 사례와 향후 전망을 살펴봅니다.

치료법 개발을 위한 엑소좀 연구 분야 주요 기업

치료법을 위해 엑소좀을 활용하는 기업이 빠르게 증가하고 있으며 임상 전 및 임상 기업 모두 자체 파이프라인을 통해 엑소좀 치료법을 개발하고 있습니다. CAS는 엄선된 최대 규모의 과학 정보 컬렉션인 CAS Content Collection™의 데이터를 활용하여 치료법 개발에 매진하고 있는 이들 기업이 주력하고 있는 표적 질병을 분석했습니다. 그 결과, 엑소좀 연구에서 가장 많이 다루어지고 있는 표적 질병이 암, 신경 및 신경변성 질환, 폐질환, 상처 치료로 밝혀졌으며 그에 따라 이 분야에서 많은 후보 엑소좀이 생성되고 있습니다(그림 1). 대부분의 엑소좀 연구 플랫폼 기업은 여러 치료 영역을 다루는 포트폴리오를 갖고 있지만(예: VivaZome, Avalon Globocare, Vitti Labs) 일부 기업의 경우 특정 분야를 전문적으로 연구하기도 합니다. 일례로 Kimera Labs은 피부 재생과 상처 치료에 집중하고 있습니다.

임상 전 엑소좀 연구에 투자하는 기업을 평가한 결과, 치료 목적의 엑소좀 개발을 위한 다양한 파이프라인을 보유하고 있는 미국이 이 분야를 이끌고 있는 것으로 밝혀졌습니다. 킬리포니아에 본사를 둔 생명공학 기업, Capricor Therapeutics는 심장공 유래(cardiosphere-derived) 세포 엑소좀, 엔지니어드(engineered) 엑소좀, 엑소좀 기반 COVID-19 백신 등 여러 엑소좀 플랫폼을 개발하고 있습니다. 이 회사의 엑소좀 플랫폼은 아직 임상 전 단계지만 여러 지표에서 고무적인 데이터가 나타나고 있으며 회사의 엑소좀 연구를 발전시키기 위해 다른 학술 기관과 협력하고 있습니다.

Xollent Biotech는 엑소좀 연구 분야의 또 다른 대표 주자로 다각적인 엑소좀 치료법 파이프라인을 보유하고 있습니다. 엑소좀의 다양성은 대체 투여 경로를 가능하게 해주며 심근 경색 치료를 위한 정맥 주사 패치, 탈모 스프레이, 피부 노화 방지를 위한 무바늘 주사기로 구성되는 치료 파이프라인이 특징입니다. Exocel Bio, Florica Therapeutics와 같은 화장품 전문 기업은 미학과 노화 방지에 중점을 둔 재생 줄기 세포 유도 엑소좀 치료법을 연구하고 있습니다.

진단 엑소좀 연구: 최신 동향과 향후 방향

시리즈의 이전 블로그에서 설명한 것처럼 엑소좀은 내구성, 특수성, 민감성 등 이상적인 생물지표를 나타내는 여러 가지 특성을 갖고 있습니다. 결과적으로 생물지표로서 또한 진단 테스트 목적의 엑소좀 활용에 대한 연구계 관심이 증가하고 있습니다. 연구 자체는 아직 초기 단계에 있지만 여러 기업이 이 분야, 특히 암과 관련하여 임상 전 엑소좀 연구를 수행하고 있습니다. Mercy Bioanalytics의 조기 암 검출을 위한 할로 테스트, 췌암 조기 검출을 위해 글리피칸-1 양성 순환 엑소좀을 사용하는 텍사스대학교 MD 앤더슨 암 센터의 연구가 대표적입니다.

다른 치료 영역에서는 진단 평가 최적화를 위한 작업도 진행되고 있습니다. 일례로 미국 하버드 의과대학과 중국 원저우 의과대학이 건조성 각막 질환과 당뇨병성 망막증의 분자 진단에서 효능을 나타낸 고속 분리 시스템을 통한 통합 눈물-엑소좀 분석(Tear-Exosomes Analysis via Rapid-isolation System, iTEARS) 채택을 위해 협력하고 있습니다. 신경퇴행성 질환 또한 엑소좀 생물지표 연구 분야의 주요 중점 항목입니다. 캘리포니아대학교 샌프란시스코 의대 연구진은 알츠하이머병의 조기 발병 진단에 중요한 역할을 할 수 있는 주요 생물지표를 발견했습니다.

임상 시험에서의 엑소좀 치료법

현재 엑소좀 치료법으로 https://clinicaltrials.gov에 등록된 총 임상 시험 수는 59개입니다. 엑소좀 치료법과 관련하여 가장 많이 연구되고 있는 표적 질병은 폐질환(11개 임상 시험), SARS-CoV-2 감염(9개 임상 시험), 암, 심장병, 신경 질환(총 4개 임상 시험)입니다. 이러한 질병과 관련된 주요 임상 시험 현황이 표 1에 정리되어 있습니다. 전체 치료 임상 시험 목록은 최근 발표된 CAS 엑소좀 통찰력 보고서를 참조하십시오.

표 1. 주요 엑소좀 치료 임상 시험

임상 시험에서의 엑소좀 진단

현재 https://clinicaltrials.gov에는 진단 목적의 엑소좀 사용과 관련된 총 208가지 임상 시험에 대한 정보가 나와 있습니다. 이 임상 시험 중 절반 이상(108개 임상 시험)이 엑소좀을 활용한 암 진단과 관련이 있습니다. 다른 대표적인 연구 대상 질병은 신경 질환(15개 임상 시험), 심혈관 질환(13개 임상 시험), 폐질환(6개 임상 시험)입니다. 이러한 질병의 조기 진단은 예휴를 향상시키는 데 중요합니다. 진단과 관련된 많은 엑소좀 임상 시험이 조기 질병 진단을 위한 엑소좀 사용의 가치와 이점을 강조합니다. 이들 질병의 엑소좀 진단과 관련된 기업, 병원, 대학교가 표 2에 정리되어 있습니다. 전체 진단 임상 시험 목록은 최근 발표된 CAS 엑소좀 통찰력 보고서를 참조하십시오.

표 2. 주요 엑소좀 진단 임상 시험

임상 시험의 질병 표적으로서의 엑소좀

엑소좀을 표적으로 사용하는 것은 질병 치료를 위한 또 다른 연구 방법입니다. Aetholon Medical은 캘리포니아에 본사를 둔 임상 전문 기업으로 Hemopurifier라는 연구 의료 기기를 설계했습니다. Hemopurifier는 순환 엑소좀을 표적으로 바이러스, 세균독소 및 암 엑소좀을 포집합니다. 현재 Aetholon은 에볼라 바이러스, C형 간염 C, HIV 및 COVID-19 치료에 Hemopurifer를 사용하고 있습니다. 이 회사가 현재 진행하고 있는 두 가지 임상 시험이 표 3에 정리되어 있습니다.

표 3. 질병 치료를 위해 엑소좀을 표적으로 하는(물리적 제거) 대표적인 임상 시험

엑소좀 연구의 미해결 과제 극복

엑소좀은 흥미로운 연구 영역으로, 진단 및 치료 용도에 있어 엄청난 잠재력을 갖고 있습니다. 그러나 엑소좀의 임상적 활용은 유망한 가치에도 불구하고 지식의 격차라는 장애물의 방해를 받고 있습니다. 따라서 향후 작업은 연구원들의 치료 가능성을 향상시키는 데 도움을 줄 수 있는 표적 세포와의 상호작용에 대한 설명과 함께 엑소좀 생물 발생 및 활용을 위한 정확한 메커니즘의 우선순위를 중하는 데 주력해야 합니다. 엑소좀 연구에서 극복해야 할 또 다른 중요 장애물은 엑소좀 단리 관련 문제와 관련 프로세스에 대한 표준화 미비에 따른 임상적 유용성의 지연입니다. 마지막으로 파이프라인에서 엑소좀 활용 방식의 다양성은 계발 계획을 세우기 위해 특정 규제 분류 및 관할 문제를 명확히 해야 함을 의미합니다.

중대한 지식 격차를 해소해야 하는 것도 사실이지만 엑소좀 연구는 다양한 질병을 치료할 수 있는 중요한 기회를 제공하며 이미 초기 혈소한 미립자 단계에서 많은 진척을 이루었습니다.

자세한 내용은 최근 발표된 CAS 엑소좀 통찰력 보고서를 참조하십시오.

엑소좀은 정상적인 생리 과정의 일부로 또는 특정 병리학적 조건에서 세포에서 생겨난 나노 입자 크기의 세포외 소포입니다. 엑소좀 진화에 대한 이전 블로그에서는 초기 발견부터 세포외 소포 연구 분야에서의 최근 인기까지 이 천연 나노 입자 관련 기술 발전에 대해 알아보았습니다.

3부 블로그 시리즈 중 2부에 해당하는 이 글에서는 엄선된 최대 규모의 과학 정보 컬렉션인 CAS Content Collection™의 정보를 심층 분석하여 약물 전달 및 진단 분야에서 엑소좀 치료의 주요 응용 현황을 개략적으로 소개합니다.

엑소좀 치료의 새로운 연구 동향

CAS 컨텐츠 컬렉션을 활용하여 약물 전달과 진단 분야에서의 엑소좀 활용과 관련된 과학 간행물에서 주요 개념의 존재와 트렌드를분석했습니다(그림 1). 1순위 키워드는 치료법에 있어 엑소좀에 대한 관심이 증가하고 있다는 것을 반영한 ‘표적’과 ‘생체지표’였습니다. 그중에서도 2017~2021년의 주요 개념을 분석한 결과, 지난 2년 간 "혈액-뇌 장벽"이라는 용어 사용이 급격히 증가했으며, 이는 엑소좀 치료 연구 분야의 가장 큰 주제임을 의미합니다. 1부에서 설명한 것처럼 엑소좀은 혈액-뇌 장벽을 통과할 수 있습니다. 고도로 선택적인 이 경계를 통과할 수 있다는 것은 엑소좀이 중요한 진단 도구로 활용될 뿐만 아니라 뇌에 치료 물질을 전달하는 수단으로써 암과 외상성 뇌 손상 치료에도 도움이 될 수 있음을 의미합니다.

그림 1. 약물 전달과 진단 분야에서 엑소좀 활용과 관련된 과학 간행물의 주요 개념: (A) 치료 및 진단 분야에서 엑소좀 활용과 관련된 주요 개념을 연구하는 간행물 수. (B) 엑소좀 치료 응용 및 진단과 관련된 기사 내 주요 개념 트렌드(2017−2021년). 백분율은 각 주요 개념에 대한 연간 간행물 수를 반영해서 계산되며, 동일한 기간의 동일한 개념에 대한 총 간행물의 수로 정규화됩니다.

엑소좀 치료의 첫 번째 중요 단계: 엑소좀 분리와 정화

의료 분야에서 대규모로 엑소좀을 활용하기 위해서는 수많은 세포 파편과 관련 구성 요소에서 나노 크기의 이 입자를 정확하게 분리해야 합니다. 엑소좀 분리와 분석을 위해 정해진 한 가지 방법은 없으며 각각의 방법마다 고유의 장점과 단점이 있습니다(표 1 참조). 과거 초원심 분리가 가장 완벽한 방법으로 평가받은 적도 있었지만 최근에는 침전법과 미세 유체 방식이 잠재적 손상 없이 엑소좀을 정화할 수 있다는 점에서 보다 널리 사용되고 있습니다(그림 2). 분리 결과를 개선하기 위해 다음 여러 방법의 조합이 유망한 전략으로 제안되었습니다. 크기, 형태, 농도, 엑소좀 농축 마커 존재, 오염 물질 최소화 측면에서 순도 높은 엑소좀을 제공할 수 있습니다.

표 1. 주요 엑소좀 분리/정화 방법

그림 2. 다양한 엑소좀 분리 방법에 있어 엑소좀 치료 응용 및 진단과 관련된 문서 수 동향(2014−2021년). (백분율은 각 분리 방법에 대한 연간 간행물 수를 반영해서 계산되며 동일한 기간의 동일한 분리 방법에 대한 총 간행물의 수로 정규화됩니다.)

엑소좀 치료와 약물 전달

엑소좀 추출 및 정화가 완료된 후 효과적인 약물 전달 시스템에 적용할 수 있는 방법은 무엇일까요? 다행히 엑소좀은 이 역할에 적합한 물질입니다. 합성 나노캐리어와 세포 매개 약물 전달 시스템의 장점을 모두 포용하면서 단점은 피할 수 있기 때문입니다. 이러한 특성을 이용하기 위한 첫 번째 단계가 '적재'로, 엑소좀과 치료 물질을 합치는 프로세스입니다. 이 목적으로 여러 가지 적재 방법을 사용할 수 있으며 각각 고유한 장점과 단점이 있습니다(표 2).

표 2. 적재 기법

세포 간 메신저 형태의 엑소좀은 다양한 생리 과정에서 중요한 역할을 합니다. 또한 엑소좀은 분비된 조직과 세포에 따라 고유한 특성을 갖습니다. 예를 들어 종양 유발 엑소좀은 성장, 혈관형성, 침입, 전이와 같은 종양 특성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 그에 반해 중간엽 줄기세포(MSC)에서 분비된 엑소좀은 다른 치료법을 지원하고 보완하는 보조제로 사용하는 데 적합한 특성을 갖게 됩니다. 일례로 미국 기업인 Direct Biologics는 궤양성 대장염, 고형 장기 거부, COVID-19 등에 대한 임상 시험에서 MSC 유래 치료제인 ExoFlo의 유용성을 연구하고 있습니다.

엑소좀 치료의 잠재적 용도는 다양하지만 가장 많은 엑소좀 연구 분야는 암이며 그 다음은 염증, 감염 순입니다. 엑소좀 공여 세포와 대상 질병 간의 상관관계를 분석함으로써 명확한 패턴을 알 수 있습니다. 항원 제공 세포와 자연 살상 세포(NK 세포)는 암 연구에서 가장 널리 사용되는 세포입니다. 염증 연구에서는 대식 세포와 줄기 세포, 감염 연구에서는 항원 제공 세포와 T-세포가 가장 많이 사용됩니다(그림 3).

그림 3. CAS 컨텐츠 컬렉션의 문서 수로 본 엑소좀 치료 및 진단 관련 연구에서 엑소좀 공여 세포와 대상 질병 간의 상관관계.

엑소좀 치료의 다양한 활용 분야

빠른 속도로 눈에 띄게 증가하고 있는 또 다른 엑소좀 응용 분야는 치료제로서의 용도입니다. 엑소좀 시스템은 다양한 질병의 치료 또는 진단 도구로 활용되고 있습니다. CAS 컨텐츠 컬렉션 분석 결과에 따르면 엑소좀 치료에 대한 간행물 중 암 관련 내용이 68%로 가장 많았습니다. 엑소좀 microRNA(miRNA)는 암 세포 증식, 이동, 침입을 억제하는 것으로 알려져 있습니다. 방광암, 결장암, 유방암 등 다양한 악성 세포 아형에서 이 접근법에 대한 연구가 진행되고 있습니다. 엑소좀은 신경변경, 염증성, 심혈관 질환에도 막대한 치료 잠재력을 기대할 수 있습니다(표 4).

그림 4. 표적 질환에 대한 엑소좀 치료 및 진단 응용과 관련된 CAS 컨텐츠 컬렉션의 간행물 분포 현황.

엑소좀은 암과 같은 질병의 발생에 관여하므로 성공적인 치료 전략을 위해서는 증가한 엑소좀 생산과 순환을 정상 수준으로 낮추어 질병 진행을 에방해야 합니다. 현재 엑소좀 치료 경로를 생산, 분비, 흡수 등 다양한 단계에서 조절하는 데 따른 영향에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 암 세포에서 엑소좀의 물리적 제거에 대한 연구도 진행되고 있습니다. 이러한 연구는 물리적 제거로 종양 진행에 기여하는 암 세포 간의 신호 전달을 방해할 수 있다는 가설을 전제로 합니다.

엑소좀의 진단 용도

임상 용도의 타당성을 확보하기 위해서는 생체지표가 여러 가지 특성을 가지고 있어야 합니다. 즉, 접근이 용이하고 비용 효과적이어야 하며 구체적이고 감도가 우수하고 측정 가능해야 합니다. 엑소좀은 그 고유한 특성으로 인해 이미 이러한 조건을 충족합니다. 특히, 진단 감도와 정확성 측면에서 기존의 혈청 기반 생체지표보다 우수합니다.

엑소좀을 활용한 치료 방법 연구는 여러 가지 장점이 있습니다. 알츠하이머병에서 볼 수 있듯이 먼저 세포의 병리 상태가 엑소좀 내용물에 큰 영향을 주므로 이 세포외 소포 연구로 조직의 질병 상태를 알 수 있습니다. 또한, 지질 이중층 구조로 극한의 종양 미세 환경에서도 분해되지 않는 본질적으로 안정적인 물질입니다. 실용성 측면에서는 소변, 혈액, 눈물과 같은 생물학적 유체에서 엑소좀은 쉽고 비침습적인 방식으로 분리될 수 있습니다. 추출된 엑소좀은 냉동, 동결 건조 또는 분무 건조 방식으로 보관할 수 있습니다. 마지막으로 기존의 많은 혈청 생체지표와 달리, 엑소좀은 혈액-뇌 장벽을 통과할 수 있어 다른 방법으로는 얻기 어려운 뇌 세포에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 현재 여러 후보 엑소좀 단백질 생체지표(표 3)와 핵산 생체지표(표 4)에 대한 연구가 진행 중입니다. 더 많은 생체지표 목록을 보려면 CAS의 ACS 간행물, 약물 전달 및 진단 분야의 기대주로 떠오르고 있는 천연 지질 나노 입자, 엑소좀을 참조하십시오.

표 3. 임상 진단 목적의 엑소좀 단백질 예

표 4. 암 치료 및 진단 시약으로서의 엑소좀 miRNA

생체지표로서 엑소좀에 대한 관심은 엑소좀 치료 및 진단 분야와 관련된 문서 수의 광범위한 증가로 알 수 있으며 CAS 컨텐츠 컬렉션의 분석 결과에도 잘 나타나 있습니다(그림 5). 언뜻 보면 치료법 관련 문서가 가장 많은 것처럼 보이지만 치료와 진단 분야 모두 전반적으로 동일한 비율로 문서가 분포되어 있습니다.

그림 5. 엑소좀의 진단 용도와 치료 용도 비교: (A) 엑소좀의 진단 용도와 치료 용도와 관련된 문서 수 비교; 삽입: 엑소좀의 진단 용도 및 치료 용도와 관련된 문서 수의 연간 증가 현황. (B) 엑소좀의 진단 및 치료 용도와 관련된 역할 지표 기준 문서 수 비교(THU: 치료, DGN: 진단).

현재 엑소좀 치료 연구의 전망이 밝은 것은 사실이지만 많은 연구가 아직 임상 전 단계입니다. 이런 상황에서 치료 및 진단 분야에서 엑소좀을 완벽하게 활용할 수 있는 시기는 언제쯤이 될까요? 앞으로 해결해야 할 과제와 장애물은 무엇일까요? 이 블로그 시리즈의 마지막 글에서는 엑소좀 연구의 대표 주자를 소개하며 이 흥미롭고 역동적인 분야에서 주요 연구 이니셔티브에 대한 최신 동향을 안내합니다. CAS의 엑소좀 통찰력 보고서에서 더 자세히 알아볼 수 있습니다.

혁신의 속도는 절대 느려지지 않으며, 이러한 과학적 혁신은 우리의 생활 방식과 업무 방식, 주변 세계와 연결하는 방식을 재정의할 것입니다.  

최신 트렌드에 대해 알고 싶으신가요? 

새로운 우주 탐험 시대

우주가 얼마나 거대한 존재인지 모르는 사람은 없을 것입니다. 제임스 웹 우주망원경이 최초로 보내온 사진은 경외심을 불러일으킵니다. 첨단 기술로 만든 가장 강력한 성능을 자랑하는 이 망원경으로 얻은 우주에 대한 정보는 미래 후손들에게 또 다른 사명과 탐험의 의미를 일깨워주었습니다. 최근 시작된 NASA의 아르테미스 계획(Artemis Program)은 최근의 달 탐험 미션으로, 더 먼 미래의 화성 탐험을 위한 초석이 될 것입니다. 이러한 새로운 우주 탐험 시대의 도래는 우주 항법을 넘어 다양한 분야의 기술 발전을 촉진할 것이며 물질, 식품 과학, 농업, 심지어 화장품과 같은 실질적인 분야의 발전에 자극제가 될 것입니다.

AI 예측 기능의 이정표

과학계는 수십년 동안 단백질 기능과 3D 구조 간 관계를 보다 정확하게 파악하기 위해 노력해 왔습니다. 2022년 7월, Deep Mind는 단백질 분자의 접힌 3D 구조를 AlphaFold2, RoseTTAFold, trRosettaX-Single 알고리즘을 사용하여 선형 아미노산 염기서열에서 예측할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 알고리즘 예측으로, 알 수 없는 구조 데이터를 가진 인간 단백질 수가 4,800개에서 단 29개로 감소했습니다. AI는 항상 쉽지 않은 분야지만 단백질 구조 예측은 모든 생명 과학 분야 전반에 걸쳐 의미를 갖습니다. 미래에 해결해야 할 주요 과제로는 본질적으로 장애가 있는 단백질과 이식 후 변질 또는 환경 조건에 따라 구조가 변화하는 단백질의 모델링 등이 있습니다. 단백질 모델링 이외에도, 워크플로를 재구성하고 많은 산업 및 학술 분야에서 발견 기능을 확장하기 위한 AI 기술 발전이 계속되고 있습니다.

합성 생물학 분야의 발전 동향

합성 생물학은 엔지니어링된 생물학적 시스템(즉 게놈의 상당 부분 또는 전체 게놈이 설계 또는 엔지니어링된 미생물)을 사용하여 치료법, 맛, 섬유, 식품, 연료 등 다양한 생체분자와 물질을 제조함으로써 합성 경로의 재정의가 가능합니다. 예를 들어 돼지 췌장 없이 인슐린을 제조하고 가죽도 인조로 만들 수 있으며 거미 없이 거미 명주를 생산할 수 있습니다. 합성 생물학은 생명 과학 분야의 가능성만으로도 믿을 수 없는 수준이지만 제조 산업 분야의 경우 향후 공급망 문제를 최소화하고 효율성을 높일 수 있으며 보다 지속 가능한 접근 방법으로 생물 고분자 또는 대체 물질과 관련된 새로운 기회를 만들어낼 수 있습니다. 오늘날 CAS 과학팀은 AI 기반 대사 모델링, CRISPR 도구 및 합성 유전자 회로를 사용하여 신진 대사를 조절하고 유전자 발현을 조작하고 생물 생성 경로를 구축하는 연구를 진행하고 있습니다. 이러한 연구가 여러 산업에서 폭넓게 이루어지는 가운데 대사 조절 및 엔지니어링 과제와 관련된 최신 개발 업적과 새로운 동향은 2022 Journal of Biotechnology 기사에서 확인할 수 있습니다.

단세포 대사체학의 부상

유전자 염기서열 및 지도 제작 분야의 많은 기술적 발전에도 불구하고 유전체학은 세포의 기능 자체만 알려줍니다. 세포 기능을 보다 정확하게 이해하기 위해, 단백질 유전 정보학 및 대사체학적 접근 방법으로 분자 프로필과 세포 경로를 밝히기 위한 다양한 관점을 제시합니다. 단세포 대사체학은 생물학적 시스템 내 세포 대사를 개략적으로 보여줍니다. 문제는 대사체가 빠른 속도로 변화하므로 세포 기능을 이해하는 데 있어 샘플 준비가 필수적이라는 것입니다. 최근 단세포 대사체학 분야의 일련의 발전 사례(오픈 소스 기술, 고급 AI 알고리즘, 샘플 준비, 새로운 형태의 질량 스펙트럼)는 세부 질량 스펙트럼 분석을 실행할 수 있는 역량을 보여줍니다. 즉, 연구원들이 대사 산물을 세포 단위로 확인할 수 있어 진단 기술의 무한한 잠재력을 기대할 수 있으며, 미래에는 유기체 내 단일 암 세포까지 검출할 수 있게 될 것입니다. 이러한 기술이 활용되면서 새로운 생체지표 검출 방법, 웨어러블 의료 기기, AI 기반 데이터 분석과 함께 진단 기능과 인간의 삶의 질이 개선될 것입니다.

친환경 비료 생산을 가능하게 하는 새로운 촉매제

매년 수십억 명의 사람들이 지속적인 식량 생산을 위해 비료를 사용하고 있습니다. 따라서 비료 생산 과정에서 탄소 배출과 관련 비용을 줄이면 농업이 탄소 배출에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다. 비료 생산에 있어 하버-보슈법은 질소와 수소를 암모니아로 바꿔줍니다. 에너지 요구량을 줄이기 위해 도쿄공업대학교는 수분과 함께 안정적인 상태를 유지하는 질화란탄 지지체에서 촉매 반응을 일으키는 전이 원소(Ni)가 함유된 무귀금속 질화물 촉매제를 개발했습니다. 이 촉매제는 루테늄이 함유되지 않아 암모니아 생산 시 발생하는 탄소를 줄일 수 있는 경제적인 방법입니다. La-Al-N 지지체는 니켈, 코발트(Ni, Co)와 같은 활성 금속과 함께 기존 질화 금속 촉매제와 유사한 속도로 NH3를 만들었습니다. 지속 가능한 비료 생산에 대한 자세한 내용은 CAS의 최신 기사에서 확인하십시오.

RNA 의약품 발전 동향

COVID-19 백신 개발에 mRNA를 활용한 시도는 많은 관심을 불러 일으켰지만 RNA 기술의 진정한 혁신은 이제 시작 단계일 뿐입니다. 최근에는 다가 뉴클레오시드 변형 mRNA 독감 백신이 새롭게 개발되었습니다. 이 백신은 20가지 알려진 인플루엔자 바이러스 아형에 대한 면역 방어 체계를 구축함으로써 바이러스 발생을 사전에 예방할 수 있습니다. 많은 희귀 유전병이 mRNA 치료법의 다음 표적입니다. 그러한 질병은 필수 단백질이 없는 경우가 많아 mRNA 치료를 통해 건강한 단백질을 교체하는 방법으로 치료할 수 있기 때문입니다. 임상 파이프라인에는 mRNA 치료법뿐만 아니라 여러 형태의 암, 혈액 및 폐 질환을 대상으로 하는 많은 RNA 후보 치료법이 있습니다. RNA는 표적성이 높고 다양하며 맞춤형 설계가 가능해 다양한 질병 치료에 활용할 수 있습니다. CAS의 최근 CAS Insight 보고서를 통해 다양한 임상 파이프라인과 RNA 기술의 새로운 트렌드에 대해 자세히 알아보십시오.

빠른 구조적 변화

합성 화학 분야에서는 분자 구성에서 단일 원자를 안전하게 교환하거나 분자 구조에서 단일 원자를 삽입 또는 삭제해야 하는 것이 큰 과제입니다. 주변적 치환체로 분자의 기능을 활성화하기 위한 많은 방법이 개발되었지만(예: C-H 활성화) 유기 화합물의 구조에 대한 단일 원자 변형을 수행하기 위한 첫 방법 중 하나가 시카고 대학교 Mark Levin’ 연구팀에 의해 개발되었습니다. 이 방법은 피라졸 및 인다졸 코어의 N–N 결합을 선별적으로 분리해 피리미딘과 키나졸린을 제공합니다. 구조적 변형 방법에 대한 지속적인 개발을 통해 상용 분자 물질을 빠르게 다변화할 수 있으며 이를 통해 기능성 분자와 이상적인 신약 후보를 훨씬 더 빠른 속도로 개발할 수 있습니다.

사지 재생 기술 발전

2050년까지 연간 360만 명이 넘는 사지 손실 환자가 발생할 것으로 예상되고 있습니다. 과학자들은 오랜 세월 사지 재생의 가장 큰 열쇠가 신경의 존재 여부라고 믿었습니다. 그러나 Muneoka 박사와 그 연구팀의 연구 결과, 포유류의 손발가락 재생에 있어 기계적 하중의 중요성과 함께 신경이 없다고 해서 재생이 되지 않는 것은 아니라는 사실이 밝혀졌습니다. 사지 재생 기술 발전의 또 다른 기여자는 터프츠대학교로, 웨어러블 생물 반응 장치를 통한 신속한 다중 약물 투여로 개구리의 장기적인 사지 재생에 성공했습니다. 이러한 초기 성공은 보다 크고 복잡한 인간의 조직 재생 기술 발전으로 이어질 가능성이 있으며 결과적으로 퇴역 군인, 당뇨 환자를 비롯하여 절단, 정신적 외상으로 고통 받는 사람들에게 희소식이 될 것입니다.

핵융합 성공으로 보다 많은 순에너지 발전

핵융합은 태양과 별에 생명을 불어 넣어주는 과정입니다. 핵융합 반응을 지구상에서 에너지원으로 복제함으로써 지구의 미래 에너지 요구를 모두 충족시킬 수 있다는 아이디어는 수십 년 간 이론적으로 가능한 것처럼 보였습니다. 원리는 경원자의 강력한 충돌을 유발시키고 그에 따른 융합 반응으로 소비 에너지보다 많은 에너지를 방출하도록 하는 것입니다. 그러나 양성 원자핵 간의 전기적 반발을 극복하기 위해서는 높은 온도와 압력이 필요합니다. 이 문제만 해결되면 융합 반응으로 많은 양의 에너지를 얻을 수 있으며, 인근 핵의 융합도 촉진됩니다. 이전의 융합 방법은 강력한 자기장과 레이저를 사용했지만 소비 에너지보다 많은 에너지를 생성하지 못했습니다.

미국 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory) 융합 시설 연구진은 핵융합 시작과 함께 2.05메가줄 레이저에서 3.15메가줄 에너지를 얻는 데 성공했다고 발표했습니다. 이는 기념비적인 성공 사례이지만 핵융합 발전소를 통한 전력 생산 노력은 앞으로도 수십 년 동안 계속될 것입니다. 이러한 노력이 결실을 거두기까지는 확장성, 설비 안전, 레이저 생성에 필요한 에너지, 폐기 부산물 등과 같은 중대한 구현 과제를 해결해야 합니다. 그러나 핵융합 반응을 일으키는 데 성공한 기술 혁신은 미래 기술 발전을 위한 이정표가 될 것입니다.

이 CAS Insight 보고서는 새로운 과학 분야에 대한 고유한 통찰력을 제공하기 위해 역사적으로 중대한 이정표, 새로운 응용 분야, 새로운 동향(CAS Content Collection™ 참조)을 소개합니다. 엑소좀은 천연 지질 나노 입자로, 고유한 물리적 특성으로 인해 미래의 신약 개발, 제공 및 진단 분야에서 새롭게 활용될 가능성이 높습니다.

지난 몇 년간 지질 나노 입자가 mRNA 백신에서의 역할로 각광을 받아 왔지만 엑소좀은 특별히 '천연 지질 나노 입자'로 불리고 있습니다. 엑소좀은 일종의 세포 외 소포로 미래 약물 전달 및 진단 분야에 획기적인 영향을 미칠 수 있습니다. 즉 선천적 안정성, 생체 적합성, 혈액뇌장벽 통과 기능과 같은 고유한 물리적 성질이 앞으로 많은 이점을 제공할 것입니다.

ACS Nano의 이 상호 심사 간행물은 CAS 컨텐츠 컬렉션을 활용하여 신약 개발 및 진단 분야에서 엑소좀을 활용하는데 따른 이점을 다면적으로 알아봅니다. 주요 내용은 과거 혁신 사례에 대한 고찰, 전달 수단으로써의 잠재적 용도, 진단 분야에서의 새로운 역할로 구성됩니다.

'천연 지질 나노 입자'라는 별명을 가진 엑소좀은 정상적인 생리 과정의 일부로 또는 특정 병리학적 조건에서 세포에서 생겨난 일종의 세포외 소포입니다. 엑소좀은 단백질, 핵산 및 기타 생체분자의 형태로 세포 간에 메시지를 전달할 수 있다는 점에서 과학계의 관심을 받고 있습니다. 또한 치료 및 진단 분야에서의 가능성으로 인해 기업과 학계에서 모두가 관심을 보이고 있습니다. 엑소좀의 잠재력을 예측하고 충분히 활용하려면 연구 동향의 깊이와 범위를 이해해야 합니다.

3부로 구성된 이 시리즈에서는 엑소좀의 역사를 살펴보고 최신 엑소좀 연구 동향을 약물 전달 및 진단 관점에서 소개합니다. CAS Content Collection™에서 얻을 수 있는 통찰력으로 엑소좀 활용 분야에 대한 최신 연구 발전을 개괄적으로 파악하고 빠르게 확대되고 있는 이 분야의 기회와 과제를 집중 조명합니다.

엑소좀 활용 분야의 혁신

연구원들이 사람 혈장에서 미세 입자를 처음 발견한지도 50년이 넘었습니다. 연구원들은 이 물질을 “혈소판 먼지”라고 불렀으며 지질을 많이 함유하고 혈소판 활성화에 관여한다는 사실을 발견했습니다. 그러나 1980년대에 들어서야 이 30~150nm 크기의 세포외 소포를 처음 정의하고 ‘엑소좀’으로 명명할 수 있었습니다.

리포좀과 마찬가지로 엑소좀은 지질막과 내부 수성 매질로 구성됩니다. 그러나 엑소좀은 단백질과 지질의 다량 함유로 구조가 좀 더 복잡하다는 사실이 밝혀졌습니다. 엑소좀은 대부분 진핵 세포의 엔도조말 부위에서 생성된 후 원형질 막과의 융합으로 세포외 공간으로 배출됩니다. 분비 세포에서 배출된 엑소좀은 표면 수용체 상호작용, 막 융합을 비롯하여 수용체 매개 세포내 섭취, 식균 작용 및/또는 미소세포 흡수 작용 등의 여러 메커니즘을 통해 이 숙주세포로 메시지를 전송합니다(그림 1).

그림 1. 엑소좀 생물 발생 및 분비 과정을 보여주는 도식. 이 그림은 엑소좀의 분자 구성을 보여줍니다.

초기 특성 분석 후 추가 연구를 통해 엑소좀이 면역 세포, 장상피 세포, 신경 세포 등 대부분의 생존 세포 유형에서 분비된다는 사실이 밝혀졌습니다. 엑소좀은 혈액, 소변, 모유, 양수, 관절 낭액, 뇌척수액, 심지어 눈물과 같은 다양한 생물학적 유체에도 존재합니다.

세포간 이동에 있어 엑소좀 동선은 면역, 조직 항상성, 재생 등 많은 건강 및 질병 특성에서 중요한 역할을 합니다. 엑소좀은 세포 간 및 생물학적 장벽(혈액-뇌 장벽 포함) 사이의 효율적인 세포 간 커뮤니케이션과 시그널링을 가능하게 합니다. 엑소좀은 또한 단백질, 지질, 핵산과 같은 생리 활성 물질을 전달할 수 있는 효과적인 세포 운반 시스템입니다. 엑소좀은 중요한 생리 활동에 관여할 뿐만 아니라 암, 심혈관 및 신경변성 질환, 바이러스성 감염과 같은 질환의 발병에도 중요한 역할을 합니다.

엑소좀 입자의 고유한 특성

이 작은 입자가 어떻게 큰 영향을 미칠 수 있는지 이해하기 위해 그 고유한 특성을 알아보도록 하겠습니다. 먼저 엑소좀은 지질 이중층 막 구조에 따라 극한의 종양 미세 환경에서도 순환이 가능할 정도로 본질적으로 안정적입니다. 지질 이중층은 또한 면역원성과 유독성을 최소화하여 세포외 공간으로의 안정화에 도움을 줍니다. 엑소좀은 또한 내생적 특성으로 인해 생체 적합성이 매우 우수합니다. 마지막으로 엑소좀은 조직/세포 침투능이 뛰어납니다. 엑소좀은 이러한 특성으로 인해 다른 약물 전달 시스템과 관련된 여러 한계를 극복할 수 있습니다. 실제로 연구원들은 다른 약물 운반 시스템 대비 엑소좀의 장점을 인지하기 시작했습니다.

엑소좀 연구에 대한 CAS의 통찰력

엄선된 최대 규모의 과학 정보 컬렉션인 CAS Content Collection™의 분석을 통해 엑소좀 관련 게재 동향에 대한 훌륭한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 현재 CAS 컨텐츠 컬렉션에서 엑소좀/세포외 소포 관련 과학 간행물(학술지 논문과 특허)은 40,000건이 넘으며 계속 안정적이면서도 기하급수적인 증가세를 나타내고 있습니다(그림 2).

그림 2. 약물 전달 및 진단과 연구 기금 모금과 관련된 엑소좀 연구 학술지 및 특허의 게재 동향. (A) 약물 전달 및 진단 분야에서 엑소좀과 관련된 간행물 수 동향(학술지 논문과 특허 포함). (B) 연간 NIH 자금 모금과 관련하여 미국 내 조직에서 작성되는 문서 수.

지난 3~4년 동안 엑소좀은 효과적인 약물 전달체로서 지질 나노 입자(LNP)보다 선호되었으며 특허, 학술지 논문을 포함하여 약물 전달 목적으로 사용되는 엑소좀과 관련된 문서 수가 LNP를 크게 넘어섰습니다(그림 3).

그림 3. 약물 전달에 사용되는 엑소좀 및 지질 나노 입자의 게재 동향. (A) 엑소좀 및 지질 나노 입자 관련 간행물 수 동향 비교. (B) 학술지 논문(JRN)과 특허(PAT)에서 엑소좀(EX) 및 지질 나노 입자(LNP)와 관련된 간행물의 해당 백분율을 비교합니다.

엑소좀 연구의 중요 요소

CAS 컨텐츠 컬렉션에 따르면 미국, 중국, 한국, 일본이 엑소좀 연구 분야를 선도하고 있으며 이 주제와 관련된 학술지 논문과 특허를 가장 많이 발표하고 있습니다. 엑소좀과 관련된 특허 활동 또한 기업과 학계에서 균등하게 공유되면서 약물 전달, 진단 및 관련 분야에서 그 가능성에 대한 인식이 광범위하게 나타나고 있습니다. MD Healthcare, Codiak Biosciences, OncoTherapy Science가 모든 기업 중에서 가장 많은 특허를 보유하고 있으며 대표적인 대학교와 병원은 캘리포니아대학교, 루이빌대학교, 저장대학교입니다(그림 4). 특허 분포 측면에서는 세계지식재산권기구(WIPO)가 가장 많은 특허 출원을 받았으며 미국 및 중국 특허청, 유럽 특허청(EPO), 한국 및 일본 특허청이 그 뒤를 잇고 있습니다.

그림 4. 약물 전달 및 진단 분야에서의 엑소좀 활용과 관련된 특허를 보유한 기업 (A)과 대학교 및 병원 (B)의 주요 특허 양수인.

엑소좀의 가능성

엑소좀은 고유한 특성과 광범위한 생리학 및 병리학적 프로세스에서의 역할에 따라 약물 전달 및 진단 분야의 기대주로 부상했습니다. 이러한 천연 나노 전달체의 잠재적인 활용 분야는 무한해 보이며 화장품, 식품 분야에서의 활용 가능성에 대한 연구도 진행되고 있습니다.

이 시리즈의 다음 블로그에서는 CAS 컨텐츠 컬렉션의 통찰력을 토대로 약물 전달 및 진단 분야에서 엑소좀의 주요 치료 활용 사례를 자세히 알아봅니다. CAS의 엑소좀 통찰력 보고서에서도 이 주제를 자세히 알아볼 수 있습니다.