기능화된 광합성 박테리아를 이용한 암 치료 강화

Jul 11, 2023

2023년 8월 29일

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일본 과학 기술 연구소

높은 정밀도로 악성 종양을 표적으로 삼는 것은 생물의학 연구자에게 어려운 일입니다. 그러나 이 시나리오는 악성 세포를 효율적으로 제거할 수 있도록 특수하게 조작된 박테리아를 사용함으로써 가까운 미래에 패러다임 전환을 목격할 가능성이 높습니다.

암세포를 표적으로 삼기 위해 박테리아를 사용하거나 박테리아 치료법을 사용하는 것은 유전공학과 나노기술을 통해 더욱 향상될 수 있습니다. 그러나 기술적 제약과 항생제 내성 발생 가능성으로 인해 그 효능이 저해될 수 있습니다. 따라서 향상된 생체 적합성과 기능성을 위해 박테리아의 의학적 능력이 손상되지 않도록 중간 정도이지만 효과적인 박테리아의 화학적 변형을 달성하는 것이 중요합니다.

최근 특정 유형의 보라색 광합성 박테리아(PPSB)가 박테리아 치료의 과제를 해결할 수 있는 잠재력으로 각광을 받고 있습니다. 이를 더 자세히 조사한 연구자들은 쥐 모델에서 근절하기 어려운 암세포를 탐지하고 제거하기 위해 화학적으로 변형된 PPSB의 사용을 보고하는 연구를 Nano Today에 발표했습니다.

일본 과학 기술 연구소(JAIST)의 미야코 에이지로 부교수가 주도한 이번 연구에서는 Rhodopseudomonas palustris(RP)를 연구 수행을 위한 최적의 박테리아로 선택했습니다. "RP는 근적외선(NIR) 형광, 광열 전환, 낮은 세포 독성과 같은 탁월한 특성을 보여주었습니다. 이는 NIR 빛을 흡수하고 자유 라디칼을 생성합니다. 이는 암세포를 죽이는 데 활용할 수 있는 특성입니다."라고 Miyako 교수는 설명합니다.

분리된 균주의 치료 효능을 향상시키기 위해 연구팀은 세균막을 변경하기 위한 화학적 변형을 모색했습니다. 먼저, 그들은 막 페길화(membrane PEGylation), 즉 폴리에틸렌 글리콜 유도체를 박테리아 세포벽에 부착하는 작업을 수행했습니다. 이전 연구에 따르면 박테리아의 PEG화는 숙주의 면역 반응을 피하고 빛 에너지를 열로 변환하여 암세포를 선택적으로 제거하는 데 사용될 수 있는 것으로 나타났습니다.

초기 결과는 고무적이었습니다. 예를 들어, BAM(생체 적합성 멤브레인용 앵커)으로 RP 멤브레인 표면을 코팅해도 최소 일주일 동안 RP 세포 생존력에 부정적인 영향을 미치지 않았습니다. 더욱이 BAM으로 기능화된 RP는 대식세포(세균 침입에 대한 면역계의 방어 작용에 핵심적인 역할을 하는 세포)에 의한 식균 작용을 통해 제거되지 않았습니다.

다음으로 연구진은 형광 Alexa488-BSA 접합체를 BAM 기능화된 RP에 부착하여 추적 가능한 형광 마커가 있는 박테리아 복합체를 만들었습니다. 이 접합체는 이후 PD-L1 항체로 대체되었습니다. 이전 연구에 따르면 암세포는 표면에 프로그래밍된 세포 사멸 리간드 1(PD-L1)이라는 단백질을 발현하는 것으로 나타났습니다. PD-L1은 PD-1 수용체에 결합하여 숙주 방어 시스템을 원활하게 끌 수 있습니다. 이를 통해 암세포는 면역 탐지 및 제거를 회피할 수 있습니다. 항PD-L1 항체는 이러한 상호작용을 차단하여 암세포가 면역체계 매개 파괴를 우회하는 것을 방지합니다.

예상한 대로, 항-PD-L1-BAM-RP와 RP는 모두 쥐과의 결장암 모델에서 종양 성장을 억제했습니다. 그러나 항PD-L1-BAM-RP, BAM-RP, RP는 레이저로 흥분시키면 특히 극적인 항암 효과를 보였다. 실제로 종양이 있는 쥐에 항PD-L1-BAM-RP, BAM-RP 또는 RP를 레이저 조사하면 고형 종양이 완전히 사라졌습니다. 또한, 광열 전환 특성을 평가할 때 항-PD-L1-BAM-RP와 천연 RP 모두 빛 구동 박테리오클로로필(BChl) 분자의 존재로 인해 강한 광열 전환을 나타냈습니다.