암세포만 정확히 골라 죽인다

나노벌레·로봇알약등 부작용없는 암치료기술 등장

나노벌레는 인체 내의 혈관을 돌아다니며 암세포를 찾아내 달라붙은 뒤 약물을 분사한다. 암세포에 달라붙지 못한 나노벌레는 몸 밖으로 자연스럽게 배출된다

서울경제 파퓰러사이언스 11월호 www.popsci.co.kr

사람의 신체는 약 60조개의 세포(cell)로 구성돼 있다. 이들 세포는 자체 조절기능에 의해 분열하고 성장한다. 또한 수명이 다하거나 손상되면 스스로 사멸해 전반적인 수의 균형을 유지한다. 하지만 세포가 돌연변이를 일으키면 암세포가 된다. 암세포는 덩어리로 커져 사람을 죽음으로 몰아간다.

비정상세포들의 반란인 셈이다. 과학기술 및 의료기술의 발달로 초기 암의 경우 상당 부분 치료가 가능하다고 하지만 여전히 문제는 많다. 바로 암 치료제의 부작용이다. 이들의 상당 부분이 멀쩡한 세포까지 파괴함으로써 감염ㆍ빈혈ㆍ통증ㆍ구토 등 각종 후유증을 남기는 것. 이에 따라 최근 암세포만을 정확히 골라 죽이는 치료기술이 잇따라 선을 보이고 있다.

암(癌)은 현대의학이 정복하지 못한 대표적 난치병이다. 이 때문에 과학계와 의학계는 경쟁적으로 암 치료제를 개발해왔다. 하지만 여전히 큰 성과는 보지 못하고 있다. 초기에 진단할 경우 완치가 가능하다고 하지만 여전히 많은 사람들이 암으로 사망하고 있다.

특히 암 치료에 따른 부작용도 문제로 제기되고 있다. 암 치료제가 암세포만이 아니라 주변의 건강한 세포까지 파괴한다는 것. 일례로 항암제는 암세포와 함께 정상세포도 파괴해 백혈구가 감소한다. 이렇게 되면 감염을 막는 역할을 하는 호중구 수치가 낮아진다. 호중구는 백혈구 내에 있는 일종의 방어기작물질로 바이러스를 방어한다.

빈혈은 통증ㆍ우울ㆍ구토 등의 증세가 나타나 일상생활을 영위하는 데 다른 부작용보다 더 큰 어려움을 준다. 이는 암 치료를 위한 화학요법이나 방사선 요법으로 인해 발생하는데 원인은 이들 치료요법이 암세포는 물론 정상세포도 죽여 적혈구가 감소하기 때문이다. 이에 따라 최근 선보이는 암 치료제 또는 치료요법의 경우 정확히 암세포만 파괴하는 데 초점이 모아지고 있다.

암세포 찾아가는 나노벌레

암세포를 죽이는 약물을 체내에 주입할 때 발생하는 문제점은 크게 두 가지다. 약물이 지나치게 빨리 배출돼 약효가 떨어지는데다 암세포 이외의 정상세포까지 함께 제거한다는 것. 만일 이 같은 문제를 해결한다면 약물을 이용하는 화학요법의 암세포 제거 능력은 획기적으로 향상될 수 있다.

그런데 최근 이 같은 문제를 해결할 수 있는 길이 열렸다. 미국 샌디에이고 캘리포니아대학의 화학자인 마이클 세일러가 암세포만 찾아 제거하는 것은 물론 쉽게 배출되지도 않는 나노웜(nano worm), 일명 나노벌레를 개발했기 때문이다. 산화철(iron-oxide) 입자로 이뤄진 기다란 띠 형태의 나노벌레 내부에는 암세포를 죽이는 약물이 주입되고 외부에는 암세포에 잘 달라붙도록 하는 분자물질이 코팅된다.

이 같은 특성이 바로 나노벌레를 차세대 암세포 치료요법으로 각광받게 하는 요인이다. 일반적으로 산화철 입자는 혈관 속을 떠돌다 암세포가 있는 곳으로 모이는 성질이 있다. 특히 기다란 띠 형태를 하고 있어 면역세포의 공격도 피할 수 있다.

이와 관련, 건강한 간이나 기타 면역세포들은 체내에 들어온 나노입자를 이물질로 판단, 몇분이면 먹어치운다. 암세포를 죽이는 임무를 가진 나노벌레 역시 면역세포의 공격을 피할 수 없는 것. 하지만 몸속에 살고 있는 기생충처럼 긴 띠 모양을 하고 있으면 면역세포의 공격으로부터 생존할 수 있다.

또한 산화철 입자에는 암세포에 잘 달라붙는 단백질이 코팅돼 있다. 이에 따라 암세포를 죽이는 약물을 내장하고 있는 나노벌레는 혈관을 따라 흐르다가 코팅된 단백질을 이용해 암 세포에 달라붙은 뒤 약물을 배출, 암세포를 죽이게 된다. 암세포에 달라붙지 못한 나노벌레는 몸 밖으로 자연스럽게 배출된다.

지난 봄 세일러는 생쥐를 대상으로 한 예비실험에서 나노벌레가 암세포를 향해 모이는 것을 확인, 암 치료요법으로 사용하기 위한 기본요건을 갖추게 됐다.

세일러는 나노벌레를 치료보다는 암세포를 조기 발견하는 진단용으로 우선 활용할 계획이다. 나노벌레가 달라붙어 있는 암세포는 MRI 스캔으로 쉽게 발견할 수 있기 때문이다. 실제 오는 2010년부터 나노벌레를 암세포 진단용으로 사용하는 임상실험이 이뤄질 계획이며 이후에는 암세포를 제거하는 약물을 담은 실험이 진행될 예정이다.

스마트 드러그와 로봇 알약

암세포는 정상세포와 달리 성장속도가 엄청나게 빠르다. 항암제의 기본원리는 이처럼 빨리 자라는 암세포의 DNA가 제대로 작동하지 못하게 해서 죽이는 것이다. 문제는 머리카락의 모근세포나 식도 및 위장 점막에 있는 세포들도 암세포 못지않게 빨리 자란다는 것.

과거 1ㆍ2세대 항암제들은 대부분 암세포 외에 이 같은 정상세포도 공격했기 때문에 머리카락이 뭉텅이로 빠지거나 통증 및 구토 증상이 유발됐다. 하지만 3세대 항암제로 불리는 스마트 드러그(Smart Drug)는 정밀유도무기처럼 정상세포 사이에 숨어 있는 암세포만 정확히 골라 공격한다. 이 같은 특성으로 인해 스마트 드러그는 '미사일 항암제'로도 불린다. 스마트 드러그는 암세포 성장에 핵심적인 역할을 하는 효소에 달라붙어 작동하지 못하게 함으로써 암세포를 죽인다.

스마트 드러그는 암세포에 영양분을 제공하는 경로를 차단해 암세포를 제거하기도 한다. 일반적으로 암세포는 정상세포와 마찬가지로 산소와 영양분을 주변의 혈관으로부터 공급받는다. 그런데 암세포 덩어리, 즉 종양이 자라나면 안쪽의 세포는 영양분이 부족해진다. 이럴 때 종양은 주변에 있는 혈관을 침범하거나 새로운 혈관의 형성을 촉진하는데 스마트 드러그는 이처럼 암세포에 영양분을 공급하는 혈관의 내피세포를 억제한다.

스마트 드러그 중에는 인체 면역시스템의 메커니즘을 빌린 것도 있다. 인체는 외부에서 바이러스나 이물질 등 항원이 침입하면 그에 맞는 항체를 분비해 공격한다. 이후 똑같은 항원이 침입하면 과거의 전투를 기억해 곧바로 대항군 항체를 내보낸다. 최근 과학자들은 암세포 표면의 단백질을 항원으로 인식하는 항체를 개발, 암을 치료하는 연구를 진행하고 있다.

암세포를 골라 죽이는 기술에는 나노로봇을 이용하는 것도 있다. 나노 단위의 로봇이 인체에 삽입된 뒤 암세포를 찾아가 약물을 분사하는 것이다. 하지만 현재의 기술로는 의사의 요구에 따라 컨트롤되는 나노로봇 개발이 어렵다. 개발이 된다고 해도 지나치게 고가라는 한계를 갖게 된다. 이에 따라 나온 대안 중의 하나가 바로 로봇 형태의 알약이다.

필립스는 최근 체내의 필요한 곳에만 약물을 전달하는 로봇 형태의 알약 아이필(Ipill)을 개발했다. 아이필은 지름 11㎜, 길이 26㎜에 불과하지만 상단부에 치료용 약물이 들어 있고 그 아래에는 펌프ㆍ배터리ㆍ무선송수신장치ㆍ초소형 마이크로프로세서 등이 장착돼 있다. 소화기관을 따라 이동하지만 산성도의 차이에 따라 확인된 목표지점에 도달하면 내부의 초소형 마이크로프로세서가 펌프를 작동시켜 약물을 분사한다.

입자가속기를 이용한 암 치료

방사선을 이용한 암 치료 역시 암세포만 정확히 제거하는 방향으로 기술개발이 이뤄지고 있다. 현재 사용되고 있는 방사선 암 치료의 최대 약점도 암세포 주변의 건강한 세포까지 함께 죽인다는 것이기 때문이다. 하지만 암 치료용 방사선 기술은 강력한 방사선으로 암세포를 태워 죽이는 것이기 때문에 암세포만을 골라 죽이는 것은 거의 불가능하다. 이에 따라 작동원리가 같은 입자가속기를 이용해 암세포를 제거하는 기술이 연구되고 있다.

입자가속기를 통해 가속된 양자의 빔은 기존 방사선보다 정확도가 높다. 또한 양자 빔의 속도조절에 따라 다양한 치료가 가능하다. 예를 들어 상대적으로 속도가 빠른 양자 빔은 인체 깊숙이 숨어 있는 암세포, 그리고 속도가 느린 양자 빔은 피부 바로 아래에 있는 암세포 공격에 유용하다.

물론 현재의 기술 수준으로 볼 때 양자 빔이 전통적인 방사선보다 치료효과가 뛰어난 것은 아니다. 하지만 표적을 맞히는 정확도가 높다는 점은 새로운 암 치료 기술의 방향에 부합한다. 미국 플로리다대학의 양자치료협회에 따르면 암 치료를 위해 양자 빔을 쪼이는 시간은 2분 내외에 불과하며 화상이나 구토 증상도 없다.