생화학분자생물학회

Laboratory of NanoBioSystem

심가용 

숭실대학교 의생명시스템학부

[연구실소개] 

본 연구실에서는 나노기술에 기반한 다양한 치료기술을 개발하고 있으며 그중에서도 약물전달체 설계, 테라노시스 소재에 집중하여 연구를 진행하고 있다. 최근 siRNA치료제 파티시란, 모더나, 화이자-바이오엔텍의 mRNA백신 등 나노의약이 잇따라 FDA의 승인을 받으며 국내외에서 유전자 및 핵산치료제의 연구가 활발해지고 비바이러스성 전달기술인 지질나노입자에 대한 관심이 커지고 있다. 나노기술은 생체에서 분해되기 쉬운 핵산기반 약물의 전달체뿐만 아니라 다양한 종류의 화학 및 바이오의약에 접목할 수 있으며 본 연구실에서는 핵산전달체 개발, 광치료 기반 항암치료, 세포표적성 약물전달, 진단 및 치료가 가능한 테라노시스 등 다양한 나노의약 연구를 수행하고 있다. 

[연구내용] 

1. 핵산 전달을 위한 지질나노입자 연구

본 연구실에서는 종양의 면역회피 작용에 중요한 역할을 하는 TGF-β (transforming growth factor-β; 형질변환 성장인자)를 유전자 편집을 통해 억제하였다. 대부분의 암세포는 TGF-β를 많이 만들어서 암의 진행 및 전이를 촉진시키는데 그 활동 중 하나가 암세포 주변(종양미세환경)의 면역세포들을 약화시키는 것이다. 면역세포가 암세포를 저해하지 못하도록 방해하는 것이 TGF-β의 역할인 것이다. 본 연구팀은 2020년 노벨화학상을 수상한 크리스퍼 유전자 가위 (CRISPR/Cas9) 기술 및 그 전달체로 지질나노입자를 이용하여 암세포가 더 이상 TGF-β를 생성하지 못하도록 유전자 편집을 했고 그에 따라 암세포 주변의 면역세포가 활성화되는 것을 관찰할 수 있었다. 여기에 면역세포가 암세포를 더욱 강력하게 공격할 수 있도록 근적외선 빛을 조사하면 열을 발생시켜 암세포를 사멸시키는 광치료 기술을 접목하여 원발성 종양세포는 물론 암전이까지 방지할 수 있음을 확인하였다.

그림1. 유전자편집 매개 종양미세환경 재구성을 통한 종양 전이의 억제 (ACS Nano 2021)

2. 핵산 구조체를 이용한 인공면역세포 연구

암세포를 공격할 수 있는 세포독성 T 세포의 경우 항원제시세포로부터 자극을 받아야 활성화된다. 결국 효과적인 항암면역치료를 위해서는 항원제시세포의 역할이 중요한 것인데 현재까지 개발된 인공 항원제시세포의 경우 체외(ex vivo)에서만 적용가능하기 때문에 체내에서 적용가능한 항원제시세포의 개발 필요성이 강조되어 왔다. 본 연구실에서는 회전환 증폭 (rolling circle amplification) 기법을 이용하여 제조한 마이크로 입자의 뾰족한 표면구조가 성숙한 수지상세포(대표적인 항원제시세포)의 나뭇가지 돌기 모양과 유사한 점에 착안하여 인공 수지상세포를 설계하였으며, 이 인공 수지상세포는 기존에 개발된 구형의 인공 항원제시세포와 비교할 때 표면 구조 특성으로 인해 실제로 T세포와 더 밀접하게 결합하여 효과적으로 자극하는 것으로 관찰되었다.

 

그림2. DNA 핵산 소재 인공 수지상세포를 통한 세포독성 T세포 매개 면역치료 (Bioactive Mater 2021)

3. 종양 특이적으로 활성화되는 나노 조영제 연구

임상에서 사용되는 MRI나 PET/CT imaging용 조영제(Metal chelator-based contrast agents)는 정상 조직에서의 분포, 종양조직으로의 낮은 축적, 짧은 지속성 등 한계점을 지니고 있다. 본 연구실에서는 사이클램 구조를 이용하여 종양에서 활성화되는 나노조영제를 개발하였다. 이 나노조영제에는 표면에 특정 효소에 의해 잘리는 펩타이드 서열이 도입되어 효소가 없는 환경에서는 고분자 구름(PEG)에 덮여 비활성화 상태였다가 특정 효소가 있는 환경에서는 PEG가 unmasking 될 수 있다. 종양환경에서 노출된 사이클램은 세포도입능이 뛰어나기 때문에 효과적으로 종양조직에 전이금속 조영제를 전달하는 것이 가능하는 것으로 관찰되었다.

그림3. 종양특이적 나노조영제 (Bioeng Transl Med 2022)

[연구책임자] 

심가용 교수

주소: 서울특별시 동작구 상도로 369, 숭실대학교 의생명시스템학부

전화: 02-820-0451

E-mail: shim@ssu.ac.kr 

Homepage: http://shim.ssu.ac.kr/

[연구진구성] 

교수: 심가용

석사과정: 강성택, 선정길, 이재성, 박혜선, 민지영, 이정민

 [대표논문] 

1. Quoc-Viet Le, Jaiwoo Lee, Seungbeom Ko, Hyunjung Kim, Thien Y. Vu, Yearn Seong Choe, Yu-Kyoung Oh, Gayong Shim, Enzyme responsive macrocyclic metal complexes for biomedical imaging. Bioeng Transl Med 2022 (accepted, IF2021: 10.684)

2. Dongyoon Kim, Junho Byun Se Ik Kim, Hyun Hoon Chung, Yong-Wan Kim, Gayong Shim (co-corresponding), Yu-Kyoung Oh, DNA-cloaked nanoparticles for tumor microenvironment-responsive activation. J Control Release 2021; 350: 448-459. (*front cover of the issue, IF2021: 11.467)

3. Jaiwoo Lee, Quoc-Viet Le, Seungbeom Ko, Sungtaek Kang, Robert B. Macgregor Jr., Gayong Shim (co-corresponding), Yu-Kyoung Oh, Blood-declustering excretable metal clusters assembled in DNA matrix. Biomaterials 2022; 289, 121754 (IF2021: 15.304)

4. Quoc-Viet Le, Jaiwoo Lee, Junho Byun, Gayong Shim (co-corresponding), Yu-Kyoung Oh, DNA-based artificial dendritic cells for in situ cytotoxic T cell stimulation and immunotherapy. Bioactive Mater 2022; 15, 160-172. (IF2021: 16.874)

5. Dongyoon Kim, Yina Wu, Gayong Shim (co-corresponding), Yu-Kyoung Oh, Genome-editing-mediated restructuring of tumor immune microenvironment for prevention of metastasis. ACS Nano 2021; 15(11), 17635-176565. (IF2021: 18.027)

6. Quoc-Viet Le, Jaiwoo Lee, Hobin Lee, Gayong Shim (co-corresponding), Yu-Kyoung Oh, Cell membrane-derived vesicles for delivery of therapeutic agents. Acta Pharm Sin B 2021; 11(8): 2096-2113. (IF2021: 14.903)

7. Yina Wu, Qiaoyun Li, Gayong Shim (co-corresponding), Yu-Kyoung Oh, Melanin-loaded CpG DNA hydrogel for modulation of tumor immune microenvironment. J Control Release 2021; 330: 540-553. (IF2021: 11.467)

8. Gayong Shim, Seungbeom Ko, Joo Yeon Park, Ju Han Suh, Quoc-Viet Le, Dongyoon Kim, Young Bong Kim, Geun Ho Im, Hun Nyun Kim, Yearn Seong Choe, Jihee Cho, Sanghee Kim, Yu-Kyoung Oh, Tannic acid-functionalized boron nitride nanosheets for theranostics. J Control Release 2020; 327: 616-626. (IF2021: 11.467)

9. HobinYang, Quoc-Viet Le, Gayong Shim (co-corresponding), Yu-Kyoung Oh, Young Kee Shin, Molecular engineering of antibodies for site-specific conjugation to lipid polydopamine hybrid nanoparticles. Acta Pharm Sin B 2020; 10(11): 2212-2226. (IF2021: 14.903)

10. Quoc-Viet Le, Juhan Suh, Jin Joo Choi, Gyu Thae Park, Jung Weon Lee, Gayong Shim (co-corresponding), Yu-Kyoung Oh, In Situ Nanoadjuvant-Assembled Tumor Vaccine for Preventing Long-Term Recurrence. ACS Nano 2019; 13(7):7442-7462. (IF2021: 18.027)