Technology

카테콜과 갈롤을 생체친화성 고분자에 결합하면 새로운 성질이 나타나고, 이를
이노테라피는 ‘BiMM(Bio-inspired Medical Materials) 라이브러리’라고 명명하였습니다.

이노테라피의 기술은 자연에서 비롯됩니다. 자연에는 아직 밝혀지지 않은 특이한 현상들(extraordinary phenomena)이 있지만, 그중에서 이노테라피는 자연계가 보유하고 있는 접착물질에 대해 연구하고 이를 상용화하고 있습니다. 인체의 70% 이상은 물로 이루어져 있기 때문에 생체 의료용 소재에서 특히 요구되는 사항은 수중 접착(underwater adhesion) 특성입니다. 따라서 우리는 수중생물들이 어떻게 표면에 접착하는지 궁금해하며, 이 현상에 필수적인 성분 및 분자 사이의 결합 메커니즘을 연구하고 적용하여 접착력이 우수한 의료기기(medical device)를 만들고 있습니다.

현재까지 수중접착에 필수적인 물질로 폴리페놀계 분자인 카테콜(catechol) 또는 카테콜아민(catecholamine)이 알려져 있습니다. 이노테라피는 이와 관련한 다양한 기초 및 응용연구를 수행해 왔습니다. 1) 2) 3) 이 밖에도 수중생물은 칼슘(calcium) 기반의 시멘트(cement)를 만들어 접착하는 시스템도 존재하지만, 이노테라피는 유기물 기반 접착 물질에 집중하여 카테콜 또는 카테콜아민을 다양한 생체친화성 고분자에 도입하고 있습니다.
catechol
수중접착(underwater adhesion) 성질을 나타내는 또 다른 물질에는 갈롤(gallol)이 있습니다. 갈롤은 주로 식물에 존재하며 떫은맛을 내는 주요 물질입니다. 떫은맛은 접착성과 아주 밀접한 관계가 있는데, 이는 떫은맛을 내는 성분이 구강 점막에 붙어 마찰력(friction force)을 증가시키기 때문입니다. 갈롤의 이러한 특성을 응용하면 구강뿐만 아니라 소화기 점막에 붙어 치료제를 전달하는 디바이스(device)를 개발할 수 있습니다.
BiMM 라이브러리 접착성 물질의 공통적인 성질은 생체 내에서 단백질과 결합을 잘한다는 것입니다.
이를 이용하면 혁신적인 의료기기(Medical Device)를 제작할 수 있습니다.
혈장단백질과 결합하는 성질을 이용하면 범용적인 지혈제를 만들 수 있습니다. 특히 아스피린, 와파린 등 항혈액응고제를 복용하는 만성 심혈관 질환자, 당뇨병 환자 및 유전적 원인에 의해 지혈이 잘 안 되는 혈액응고장애(coagulopathy) 환자에게도 사용 가능한 훌륭한 대안이 될 것입니다.4)5)
위장관 소화기의 점막 단백질과 결합하여 소화기 점막 출혈을 막는 효과적인 디바이스를 만들 수 있습니다. 6) 7) 8)
주삿바늘에 BiMM 라이브러리 물질을 코팅하여 주사하면, 혈액의 혈장단백질과 즉각적으로 결합하여 주사 구멍(puncture site)을 막을 수 있습니다. 이러한 Self-sealing 기술은 찔러도 피가 나지 않는 주삿바늘 뿐만 아니라, 다양한 수술 부위에서의 누공(leakage)을 막을 수 있습니다. 9)
약물로 사용 가능한 단백질 및 펩타이드(peptide) 등과 결합하여 나노입자를 만들 수 있습니다. 10) 이러한 제형(formulation)은 약물 전달에 매우 적합한 방법입니다.
유전자 전달을 위해 사용하는 바이러스 벡터의 표면은 단백질로 구성되어 있습니다. 바이러스 벡터 표면 단백질에 BiMM 라이브러리 물질을 도입하여 치료유전자를 표적 장기에 전달할 수 있는 안정화된 제형(formulation)의 플랫폼으로 확장하여 유전자 치료제에 적용 가능합니다.

이노테라피의 신기술들은 위에 언급한 기술 이외에도 다양한 영역으로 확대되어 
Medical Transcender로 성장할 것입니다.

References

  1. Lee H, Scherer NF, Messersmith PB. Single-molecule mechanics of mussel adhesion. Proc Natl Acad Sci USA. 2006;103(35):12999-13003. doi:10.1073/pnas.0605552103 null
  2.  Lee H, Lee BP, Messersmith PB. A reversible wet/dry adhesive inspired by mussels and geckos. Nature. 2007;448(7151):338-341. doi:10.1038/nature05968 null
  3.  Lee H, Dellatore SM, Miller WM, Messersmith PB. Mussel-inspired surface chemistry for multifunctional coatings. Science. 2007;318(5849):426-430. doi:10.1126/science.1147241 null
  4. Ryu JH, Lee Y, Kong WH, Kim TG, Park TG, Lee H. Catechol-functionalized chitosan/pluronic hydrogels for tissue adhesives and hemostatic materials. Biomacromolecules. 2011;12(7):2653-2659. doi:10.1021/bm200464x null
  5. Shin M, Ryu JH, Kim K, Kim MJ, Jo S, Lee MS, Lee DY, Lee H. Hemostatic swabs containing polydopamine-like catecholamine chitosan-catechol for normal and coagulopathic animal models. ACS Biomater Sci & Eng. 2018; 4(7):2314-2318. doi:10.1021/acsbiomaterials.8b00451 null
  6. Ryu JH, Choi JS, Park E, Eom MR, Jo S, Lee MS, Kwon SK, Lee H. Chitosan oral patches inspired by mussel adhesion. J Control Release. 2020;317:57-66. doi:10.1016/j.jconrel.2019.11.006 null
  7. Kim K, Shin M, Koh M-Y, Ryu JH, Lee MS, Hong S, Lee H. TAPE: a medical adhesive inspired by a ubiquitous compound in plants. Adv Funct Mater. 2015;25(16):2402-2410. doi: 10.1002/adfm.201500034 null
  8. Kim K, Kim K, Ryu JH, Lee H. Chitosan-catechol: a polymer with long-lasting mucoadhesive properties. Biomaterials. 2015;52:161-170. doi:10.1016/j.biomaterials.2015.02.010 null
  9. Shin M, Park SG, Oh BC, Kim K, Jo S, Lee MS, Oh SS, Hong S-H, Shin E-C, Kim K-S, Kang S-W, Lee H. Complete prevention of blood loss with self-sealing haemostatic needles. Nat Mater. 2017;16(1):147-152. doi:10.1038/nmat4758 null
  10. Shin M, Lee HA, Lee M, Shin Y, Song J-J, Kang S-W, Nam D-H, Jeon EJ, Cho M, Do MJ, Park SH, Lee MS, Jang J-H, Cho S-W, Kim K-S, Lee H. Targeting protein and peptide therapeutics to the heart via tannic acid modification. Nat Biomed Eng. 2018;2(5):304-317. doi:10.1038/s41551-018-0227-9 null