한양대 이동윤·김영필 교수팀, 식물 엑소좀 기반 경구형 IBD 치료 기술 개발

▲염증성 장질환 (IBD) 치료를 위한 면역 조절 단백질 탑재형 엑소좀 전달체의 기술 개요: A. 치료용 면역 조절 단백질 (ppTCPTP)의 고리형 구조 생성을 위한 AI 기반 가상 설계 과정. B. 설계된 단백질의 막투과성 분자 동역학 시뮬레이션 과정. C. 선별된 고안정성·고투과성 단백질을 대량 발현한 뒤, 이를 식물 엑소좀 기반 나노 전달체에 자가 탑재하는 과정. D. 면역 조절 단백질이 탑재된 엑소좀 전달체를 염증성 장 오가노이드 모델을 활용하여 치료 효능 및 안전성을 검증하는 과정. E. IBD 모델 생쥐에 경구 투여된 치료제를 장내로 전달하여 염증 부위의 면역 반응을 억제하는 과정. (자료=한양대)

한양대학교 생명공학과 이동윤 교수와 생명과학과 김영필 교수 공동 연구팀이 약용 식물에서 추출한 엑소좀(exosome)에 면역 조절 단백질을 안정적으로 탑재해 주사제 없이 경구 투여만으로 장까지 전달할 수 있는 새로운 염증성 장질환(IBD) 치료 플랫폼 기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

연구팀은 소화기관에서 쉽게 분해되어 경구 투여가 어려웠던 기존 단백질 치료제의 한계를 해결하기 위해 약용 식물 유래 엑소좀을 전달체로 활용하고, 단백질 구조를 고리형으로 재설계하는 방식을 적용했다. 이를 통해 단백질의 안정성과 전달 효율이 크게 향상되는 결과를 얻었다.

면역 조절 단백질은 치료 효과가 높지만 위산과 소화 효소에 취약해 그동안 먹는 형태로 사용할 수 없었다. 연구팀은 항산화·항염 특성이 뛰어난 식물 엑소좀을 운반체로 선택하고, 단백질의 말단 구조에 새로운 아미노산 서열을 도입해 엑소좀에 쉽게 탑재되면서도 안정적인 고리형 단백질 후보군을 제작했다.

또한 연구팀은 AI 기반 구조 예측 프로그램 AlphaFold와 분자동역학 예측 프로그램 HADDOCK, molecular dynamics simulation을 활용해 단백질의 안정성과 막투과성을 분석했다. 그 결과 고리형 단백질은 복잡한 공정 없이도 엑소좀 내부로 침투해 스스로 탑재되는 특성을 보였고, 위산과 소화 효소 환경에서도 안정적으로 유지되어 장까지 도달하는 것으로 확인됐다.

효능 검증에서도 의미 있는 결과가 도출됐다. 염증 모델 장 오가노이드에서 항염 효과가 확인됐으며, 염증성 장질환 생쥐 모델에 경구 투여한 실험에서는 염증 지표가 크게 감소하고 손상된 장 점막 장벽이 빠르게 회복되는 등 기존 단백질 치료제보다 우수한 성능을 보였다.

▲▲ (좌측부터) 공동 제1저자 이연주(생명과학과)·유채림(생명공학과)·김경민(생명과학과 석박사통합과정생), 공동 교신저자 이동윤 교수(생명공학과)·김영필 교수(생명과학과)

김영필 교수는 “이번 연구가 치료용 단백질의 구조를 최적화해 효능을 높이는 동시에 주사제 기반 단백질 치료제를 경구제 형태로 전환할 수 있는 가능성을 열었다"며, “향후 다양한 염증성 질환 치료제로 확장될 경우 환자의 편의성과 치료 접근성이 크게 향상될 것"이라고 기대감을 전했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 선도연구센터(SRC), 중견연구자지원사업, 교육부 4단계 BK21 사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과는 국제 저명 학술지 『Bioactive Materials』(IF=20.3)에 12월 3일 온라인 게재됐다. 논문은 이동윤 교수와 김영필 교수가 공동 교신저자로 참여했으며, 이연주·김경민·유채림 학생이 공동 제1저자로 참여했다. 또한 최제민 교수와 더다봄, 일릭사파마텍 연구진도 공동으로 연구를 진행했다.

송기우 기자 kwsong@ekn.kr