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경구 약물은 복용 후 위산과 소화효소, 점액층, 장운동, 유체 흐름 등 다양한 위장관 장벽을 통과해야 한다. 하지만 기존 약물 전달 기술 가운데 나노입자는 암세포를 선택적으로 인식하는 데에는 강점이 있지만 장기 내부에서 원하는 위치까지 이동하기 어렵다. 반면 마이크로로봇은 외부 자기장을 이용해 목표 지점까지 이동할 수 있지만 세포 수준의 정밀한 표적화에는 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 자성 마이크로로봇과 혈소판 막으로 코팅한 나노입자를 하나의 플랫폼으로 결합했다. 마이크로로봇 내부에는 항암제를 담은 혈소판 막 코팅 나노입자를 탑재했으며, 외부 자기장을 이용해 목표 부위까지 이동하도록 설계했다.
특히 마이크로로봇 표면에는 pH 반응형 보호막을 적용했다. 강한 산성 환경에서도 약물을 보호하고 약물이 장에 도달하면 보호막이 분해되면서 나노입자가 방출되도록 한 것이다.
연구팀은 정상 대장 상피세포와 융모 유사 구조, 유체 흐름, 대장암 세포 구상체를 구현한 대장 모사 미세 유체 칩에서 약물 전달 성능을 검증했다. 그 결과 두 개의 마이크로로봇을 이용해 나노입자를 전달했을 때 나노입자만 투여한 경우보다 암 조직 모사체 내 나노입자 잔류량이 약 4.6배 증가했다. 대장암 세포에 대한 독성효과도 최대 4.3배 향상된 것으로 나타났다.
건국대는 “돼지의 위와 장 조직을 이용한 체외 실험에서는 여러 개의 마이크로로봇을 사슬 형태로 조립해 실제 위장관 환경과 유사한 조건에서 성능을 확인했다”며 “조립된 마이크로로봇은 평평한 표면뿐 아니라 부드럽고 굴곡진 위·장 조직 표면에서도 자기장에 따라 안정적으로 이동해 실제 위장관 환경에서도 활용할 수 있는 가능성을 보여줬다”고 설명했다.
이번 연구는 한국보건산업진흥원과 한국연구재단, 영국 왕립학회 등의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 저명 국제학술지(Science Advances)에 게재됐다.
김준영 교수는 “이번 연구는 마이크로로봇의 능동적인 위치 제어와 혈소판 막 나노입자의 암세포 표적 기능을 순차적으로 결합해 서로 다른 크기의 생물학적 장벽을 극복하는 새로운 약물전달 전략을 제시한 것”이라며 “향후 동물 모델에서 생체 내 이동과 약물 분포, 치료 효과 및 안전성을 검증해 정밀 경구 약물전달 기술로 발전시킬 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
