윤유석 교수 연구팀(제1저자 Thien 박사과정생)은 'Peroxidase 생체모방 업컨버전(upconversion) 나노입자 기반 Chemodynamic 치료법'을 개발해 삼중음성유방암(TNBC) 치료의 새로운 가능성을 제시했다.

삼중음성유방암은 유방암 중 가장 공격적인 형태로 화학 저항성을 나타내 환자의 사망률을 증가시킨다. 현재 암 치료의 잠재적 접근법으로는 Fenton reaction-driven Chemodynamic Therapy가 주목받고 있다. 이 치료법은 종양 미세환경(TME)의 약산성 조건과 고농도의 H2O2를 활용해 암세포를 선택적으로 박멸한다. 이를 위해 종양 부위에서 반응성이 높은 하이드록실 라디칼을 대량으로 생성해야 하지만, 전신 독성을 유발할 수 있는 높은 농도의 Fe2+ 혹은 Fe3+가 필요하다. 또한, TME에서 pH의 수준이 2~4가 되어야 하므로 현실적으로 달성하기 어렵다. 

연구팀은 정상 세포에 대한 피해를 최소화하면서 근적외선 조사에 반응해 종양 부위에서 선택적으로 과도한 양의 -OH를 생성할 수 있는 과산화효소 모방 단일 원자 촉매를 개발했다.

본 연구에서는 Fe 원자를 UV 반응 촉매인 g-C3N4(graphitic carbon nitride) 네트워크에 균일하게 분산시켜 UV 반응성 촉매를 제조한 후 다공성 업컨버전 구조(UmFe)에 도핑하고 혈소판 세포막으로 코팅해 UmFe-OA@hPM를 제조하는 방법을 제시했다. 혈소판 세포막 코팅으로 나노제형에 고효율 종양 표적성을 부여했으며, UmFe-OA@hPM은 생체 내 존재하는 철이온과 과산화수소 사이의 Fenton 반응을 통해 효과적인 화학역동(chemodynamic) 치료를 가능하게 했다.

이렇게 유도된 Fenton 반응은 808nm 근적외선 조사를 통한 자외선 방출로 가속화될 수 있다. 또한 UmFe 기공에서 방출된 올레아놀산(OA)은 세포 내 고도 불포화지방산 합성과 세포막으로의 통합에 필수적인 효소인 ACSL4(Acyl-CoA synthetase long-chain family member 4)의 상향 조절을 유도해 민감한 암세포에 대한 Fenton 반응의 효과를 강화했다.

UmFe-OA@hPM 나노 플랫폼은 근적외선 레이저 조사와 연동돼 유의미한 ferroptosis를 나타내고, 삼중 음성 유방암 마우스 모델에서 우수한 항종양 효능과 전이 억제 효과를 보였다. 또한, 부작용을 최소화하고 면역 체크포인트 차단 등의 시너지 효과를 유도해 Chemodynamic /Immunotherapy 병용요법을 개발했다. 이는 삼중음성유방암 치료의 새로운 요법으로 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

윤유석 교수의 이번 연구 성과는 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 선도연구센터지원사업(MRC) 지원으로 수행됐으며, 나노 및 소재 분야의 세계적 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 19.0, JCR ranking 4.4%) 2024년 5월호에 게재됐다.

※ 논문명: Peroxidase-Mimicking Iron-Based Single-Atom Upconversion Photocatalyst for Enhancing Chemodynamic Therapy

※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202401893