코넬대 공학도와 의사들이 초소형 실리카 나노입자가 "차가운" 종양을 "뜨거운" 종양으로 바꿔, 치료가 어려운 암에 대한 면역요법의 효과를 높일 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이번 발견은 흑색종을 비롯한 고형암 치료에 새로운 길을 열어줄 수 있을 것으로 기대됩니다.
원래는 스캔에서 암을 밝히는 데 사용되도록 설계된 미세 입자가 이제는 면역 체계가 종양과 내부에서부터 싸우도록 도울 수 있다는 것이 밝혀지고 있습니다.
코넬대학교 연구팀이 주도하는 연구에서 코넬 프라임 도트(C'dots)라고 불리는 초소형 실리카 나노입자가 흑색종 종양 주변 환경을 재구성하여 쥐 모델에서 암 면역 치료의 효능을 극적으로 향상시킬 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다.
와일 코넬 의과대학의 미셸 브래드버리와 코넬 공과대학의 울리히 비스너 엔지니어가 주도한 이번 연구는 다음과 같습니다. 출판 네이처 나노테크놀로지 저널에 게재되었습니다.
C'dots는 형광성을 띠는 코어-쉘 구조의 실리카 나노입자로, 이미 인체 임상 시험에서 영상 진단 도구 및 약물 운반체로 사용된 바 있습니다. 이번 새로운 연구는 예상치 못한 사실을 밝혀냈습니다. 바로 이 입자 자체가 약물을 운반하지 않더라도 강력한 항암 효과를 나타낸다는 것입니다.
"정말 놀라운 발견입니다."라고 재료과학 및 공학부의 스펜서 T. 올린 공학 교수이자 C'dots를 최초로 개발한 연구실을 이끄는 위즈너 교수는 보도자료에서 밝혔습니다. "표면에 어떤 약리 물질도 없는 C'dots 자체만으로도 흑색종 모델의 종양 미세환경에서 예상치 못한 다양한 항종양 효과를 유도합니다."
종양 미세환경(TME)은 종양을 둘러싸고 있는 암세포, 면역세포, 혈관 및 지지 조직으로 이루어진 복잡한 환경입니다. 많은 공격적인 고형암에서 이 환경은 면역 체계에 적대적이며, 신체의 자체 방어 기전을 활성화시키는 현대 면역 요법에 저항성을 보입니다.
흑색종은 전립선암, 유방암, 대장암과 마찬가지로 연구자들이 "냉성 종양"이라고 부르는 종양을 흔히 생성합니다. 이러한 종양은 강력한 면역 반응을 유발하지 않으며 면역 요법에 반응하지 않는 경우가 많습니다.
이번 새로운 연구에서 코넬대 연구팀은 공격적이고 면역요법에 내성이 있는 흑색종 모델을 사용하여 C'dots가 이러한 억제 환경에 도입되었을 때 어떤 일이 발생하는지 테스트했습니다. 그 결과, 나노입자가 여러 항암 과정을 동시에 활성화한다는 것을 발견했습니다.
이 입자들은 위험 신호를 감지하는 세포 센서인 패턴 인식 수용체와 결합하여 선천 면역 반응을 자극했습니다. 또한 암세포의 세포 주기를 정지시켜 증식 능력을 늦추거나 멈추게 했습니다. 더불어 종양 미세환경에서 면역 억제를 감소시키고 T세포와 대식세포를 포함한 주요 면역 세포들이 암을 더욱 효과적으로 공격하도록 재프로그래밍했습니다.
이러한 발견은 과학자들이 나노입자의 역할에 대해 생각하는 방식을 바꾸어 놓았다고 웨일 코넬 의과대학 영상의학 연구 석좌교수이자 영상의학 교수인 브래드버리 교수는 말했다.
"이 플랫폼은 단순히 수동적인 운반체나 전달 수단으로만 작용하는 것이 아닙니다. 이 나노입자들은 본질적으로 활성적인 치료제입니다."라고 그녀는 보도자료에서 밝혔습니다. "이 입자들은 단일 경로를 표적으로 삼는 대신, 기존 치료법으로는 쉽게 달성할 수 없는 방식으로 여러 메커니즘에 동시에 작용합니다."
C'dots는 여러 요소를 동시에 조절함으로써 "차가운" 종양을 "뜨거운" 종양으로 바꾸어 염증이 생기고 면역이 활성화된 환경을 조성함으로써 암세포가 치료에 훨씬 더 잘 반응하도록 만들었습니다.
이것이 어떻게 더 나은 결과로 이어질 수 있는지 알아보기 위해 연구진은 C'dots를 면역 체크포인트와 면역 반응 조절에 도움을 주는 신호 전달 분자인 사이토카인을 모두 표적으로 하는 이중 면역 요법 전략과 결합했습니다. 쥐 모델에서 이 병용 요법을 받은 동물들은 면역 요법만 받은 동물들보다 훨씬 더 오래 살았습니다.
두 가지 접근 방식은 상호 작용했습니다. 나노입자는 종양 내부의 면역 환경을 재구성했고, 면역 요법은 훨씬 더 강력한 타격을 가했습니다.
브래드버리는 "많은 공격적인 종양은 면역 요법만으로는 내성을 보입니다."라고 덧붙였습니다. "이 나노입자들은 종양 미세환경 내의 억제 활동을 완화시켜 결과적으로 종양 성장을 억제하고 내성을 제한합니다."
이번 연구는 흑색종에 초점을 맞췄지만, 연구팀은 전립선암과 난소암을 포함한 다른 고형암 모델에서도 C'dots의 유사한 면역 활성화 효과를 확인했습니다. 이는 향후 추가 연구를 통해 안전성과 효과가 입증된다면 이 접근법이 광범위하게 적용될 수 있음을 시사합니다.
이번 연구 결과는 또한 흔한 광물인 실리카가 면역 체계에 그토록 광범위한 영향을 미치는 이유에 대한 흥미로운 의문을 제기합니다.
위즈너는 유기체가 미세한 실리카 입자와 상호작용해 온 오랜 진화 역사를 지적했습니다.
그는 "생물체는 진화 초기 단계부터 풀이나 해조류 같은 음식을 섭취하는 것을 포함하여 체내에 나노입자 형태의 실리카에 노출되어 왔다"고 말했다.
그와 그의 동료들은 이러한 장기간의 노출이 암과 같은 질병에 직면했을 때에도 신체의 균형, 즉 항상성을 유지하는 능력과 관련이 있다는 가설을 연구하고 있습니다.
"암이 신체의 평형 상태를 깨뜨려 항상성에서 벗어나게 한다는 가설이 있습니다. 하지만 실리카는 이에 반작용을 일으키며, 여러 요인이 복합적으로 작용하는 이유는 수백만 년에 걸쳐 유기체가 실리카를 통해 항상성을 유지할 수 있는 다양한 메커니즘을 개발해 왔기 때문입니다."라고 위즈너는 덧붙였습니다.
그 아이디어는 아직 추측에 불과하며, C'dots가 암 치료의 표준적인 부분으로 자리 잡기까지는 많은 연구가 필요합니다. 현재의 연구 결과는 동물 모델에서 나온 것이므로, 연구자들은 관련 메커니즘을 더 잘 이해하고, 투여량 및 전달 전략을 개선하고, 사람을 대상으로 안전성과 효과를 검증해야 합니다.
현재 연구팀은 코넬대 영양과학 연구진과 협력하여 실리카 노출의 진화적, 식이적 측면을 조사하는 동시에 C'dots가 더 광범위한 고형암에 어떻게 사용될 수 있는지 연구하고 있습니다.
향후 연구가 성공적이라면, 과거에 의사들이 종양을 더 명확하게 볼 수 있도록 도왔던 것과 같은 유형의 나노입자가 언젠가는 환자의 면역 체계가 종양을 파괴하도록 도와 오랫동안 치료에 저항해 온 암을 치료하는 새로운 방법을 제공할 수 있을 것입니다.