광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 권인찬·태기융 신소재공학과 교수팀이 공동으로 암 조직에서만 선택적으로 작동하는 '이중 효소 기반 항암 시스템(RDC/DAO@NC)'을 개발했다고 27일 밝혔다.
연구팀은 암세포 성장에 필요한 아르기닌을 분해하는 효소인 아르기닌 디카르복실라제(RDC)와 활성산소 생성을 유도하는 디아민 산화효소(DAO)를 하나의 나노운반체(NC)에 탑재해 연쇄 반응을 구현했다.
항암 치료는 정상 조직의 손상을 줄이면서 암세포를 효과적으로 제거하는 것이 중요하다. 하지만 기존 표적 항암 치료는 약물을 종양까지 전달하거나 종양 환경에서 방출되도록 설계하는 데 초점이 맞춰져 실제 치료 물질 자체가 정상 조직에서도 작동할 수 있다는 한계가 있었다.
최근 주목받는 '아르기닌의 고갈을 유도하는 항암 치료' 역시 암세포의 영양 공급을 차단할 수 있지만 정상 세포의 대사와 면역 기능에도 영향을 줄 가능성이 있었다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 암세포를 '굶기고 공격하는' 이중 효소 기반 항암 시스템(RDC/DAO@NC)을 개발했다. 이 치료 기술은 두 효소가 순차적으로 작동하는 연쇄 반응 방식으로 이뤄진다. 먼저 RDC 효소가 암세포의 성장에 꼭 필요한 영양소인 아르기닌을 제거해 암세포의 에너지 공급을 차단한다.
이어 DAO 효소가 RDC 반응 과정에서 생긴 부산물인 아그마틴을 다시 분해해 과산화수소(H₂O₂)를 생성한다. 이때 만들어진 활성산소는 암세포에 강한 산화 스트레스를 유도해 결국 세포 사멸을 일으킨다.
특히 RDC 효소는 정상적인 환경에서는 거의 활성화되지 않고, 종양의 약산성 환경에서만 선택적으로 작동하도록 설계돼 정상 조직에 대한 영향을 최소화했다.
연구팀은 두 효소를 하나의 나노운반체 안에 함께 탑재해 반응 거리를 줄였으며 마치 나노 크기의 반응 공간(나노반응기)처럼 연쇄 반응이 효율적으로 일어나도록 구현했다.
세포 실험에서 항암 효능과 안전성을 검증한 결과, RDC 단독 처리군에서는 암세포 증식 억제 효과가 나타났지만 세포 사멸은 제한적이었고 RDC와 DAO를 함께 사용한 경우에는 활성산소 생성 증가로 인해 세포 사멸 효과가 일부 강화됐다. 나노운반체 탑재군에서는 연쇄 반응 속도가 최대 5.1배 증가하며 가장 강력한 효과를 보였다. 이는 두 효소가 가까운 거리에서 연속적으로 작동하도록 설계된 '나노반응기' 구조에 따른 결과다.
동물실험에서도 종양 내 효소 축적량이 최대 3.3~4.6배 증가했고 종양 내 아르기닌 농도는 약 80% 감소했다. 종양의 크기와 무게가 유의미하게 줄어드는 항암 효과를 확인했으며, 활성산소 증가와 세포 사멸 지표 상승도 관찰했다. 반면 체중 감소나 주요 장기 독성은 나타나지 않아 치료 효능과 안전성을 함께 검증했다.
이번 연구는 단순히 약물을 종양에 전달하는 수준을 넘어 치료 효소 자체가 종양의 미세환경에서만 선택적으로 활성화되도록 설계했다는 점에서 의미가 있다. 암세포의 영양 공급을 차단하는 대사 치료와 활성산소 기반 세포 사멸을 동시에 구현함으로써 기존 아르기닌 고갈형 항암 치료의 한계를 보완한 새로운 정밀 항암 전략을 제시했다.
권인찬 교수는 “이번 연구는 종양의 산성 환경에서만 활성화되는 '스위치형 효소'와 두 효소의 연쇄 반응을 결합한 새로운 항암 전략”이라며 “암세포를 굶기는 대사 치료와 활성산소 기반 세포 사멸을 동시에 유도해 기존 아르기닌 고갈형 항암 치료의 한계를 보완할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
태기융 교수는 “기존 표적 항암 치료가 약물을 종양에 전달하는 데 초점이 맞춰져 있었다면, 이번 연구는 치료 효소가 작동하는 환경 자체를 종양으로 제한했다는 점에서 차별성이 있다”며 “향후 다른 효소 기반 치료나 면역항암 치료와의 병용 전략으로도 확장될 수 있을 것”이라고 강조했다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
