안녕하세요. 이화여자대학교 화공신소재공학과 나노바이오공학 연구실(NanoBio Engineering Laboratory)을 소개합니다. 저희 연구실은 주계일 교수님 지도하에, 현재 대학원생(8명) 및 학부 연구생(2명) 10명으로 구성되어 있습니다.

 본 연구실은 의학적 수요가 충족되지 않은 많은 질환의 진단과 치료를 위해 나노기술, 면역공학, 생체재료 설계를 통합해 새로운 나노 약물 전달 시스템을 개발하는 연구를 수행하고 있습니다.

1. 연구실 분위기

 저희 나노바이오공학 연구실은 주계일 교수님께서 2021년 1학기에 부임하시면서 만들어진 신생 연구실로, 교수님과 학생들 사이에 끈끈한 유대감을 바탕으로 친밀한 분위기 속에서 연구하고 있습니다. 학생들의 자율적인 열정과 교수님의 섬세한 지도 및 구성원 간의 활발한 의견 교류로 현재 다양한 분야에서 뛰어난 연구 성과를 보이고 있습니다. 본 연구실에서는 실력을 갖춘 연구원이 되기 위해 실험에 관해서는 조금 엄격한 규칙과 태도를 가지고 생활하지만, MT 및 연말 행사와 같은 랩실 이벤트들과 모임이 교수님과 학생들 간에 자주 이루어질 만큼 좋은 분위기 속에서 연구를 진행할 수 있습니다. 이러한 좋은 사람들과 연구에 대한 큰 열정이 합쳐져 연구 중 발생하는 궁금증과 어려움을 함께 의논해 서로 좋은 영향을 주고받아 발전해 나아가는 분위기입니다. 따라서 현재 저희는 AAV(아데노연관바이러스) 연구, LNP(지질나노입자) 및 하이드로젤, 마이크로니들과 같은 생체재료를 사용한 약물전달까지 폭넓은 연구를 수행하고 있습니다.

2. 특징

 저희 연구실은 크게 바이러스, 나노입자, 생체재료 3가지의 연구 분야를 가지고 있으며, 입학 전 미리 경험해 보고 원하는 연구 분야를 선택해 선배 대학원생과 함께 실험하고 공부하면서 해당 분야에 대해 익숙해집니다. 이후 본인의 대학원 기간에 원하는 연구주제를 정하고 교수님과의 개인 미팅, 연구실 선배들과의 토론을 통해 구체적인 연구 계획을 잡게 됩니다. 실험실 정비를 끝내고 실험을 시작한 지는 얼마 되지 않았지만, 연구원들의 열정과 교수님의 도움으로 많은 실험기기들과 데이터가 준비되어 연구가 활발하게 진행 중입니다. 세포배양, 소재 합성, 바이러스 생산 등 다양한 실험을 수행할 수 있는 기술과 시설이 마련되어 있습니다. 또한 이화여자대학교 화공신소재공학과의 특성상 다른 연구실 학생들 및 교수님들과의 교류도 많이 이뤄지고 있어서 본 연구실과 함께 공동연구도 많이 진행중입니다. 이렇게 저희 연구실은 다양한 학문적 교류를 통해 새로운 아이디어를 얻고, 열정적으로 연구를 진행해 나가고 있습니다.

3. 연구

 첫 번째로 다양한 생체 적합성 고분자를 합성한 하이드로젤을 약물 전달 매개체로 활용하는 연구입니다. 하이드로젤은 대부분 양친매성 특성을 가지기 때문에 다양한 바이오의약품을 쉽게 전달할 수 있는 장점이 있습니다. 하이드로젤에는 여러 가지 종류가 있는데, 저희 연구실에서는 주로 체내의 다양한 자극에 반응하여 약물이 방출되는 자극 감응성 하이드로젤을 연구하고 있습니다. 최근에는 온도 감응성 하이드로젤을 합성하여 낮은 온도에서 액체 상태로 약물을 탑재한 후, 체내 주입 후에는 체온에서 젤로 변하여 시간이 지남에 따라 가수분해 과정으로 약물이 방출될 수 있도록 하는 시스템을 진행했습니다. 앞으로 더욱더 폭넓은 하이드로젤에 관한 연구를 수행하여 다양한 병증에 적용하고, 최적의 치료 효율을 만들어 낼 수 있도록 하는 것이 저희의 목표입니다.

 두 번째는 다양한 생체 소재를 활용하여 nanoparticle을 만들어 약물 전달체를 개발하는 연구 분야입니다. 가장 대표적으로 LNP(lipid nanoparticle, 지질나노입자)의 조성 변화 및 표면에 기능성을 부여하여 CNS 질병 치료 효율을 높이기 위한 약물 전달체에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 지질나노입자의 경우 어떤 지질을 사용하는지, 표면에 어떤 기능을 부여하였는지에 따라 다양한 형태 및 특징을 가질 수 있습니다. 이를 이용하여 체내의 자극 및 외부의 자극에 반응하여 약물이 방출될 수 있는 약물 전달체를 개발할 수 있으며, 약물의 전달 효율을 높일 수 있습니다.

 마지막으로 소개할 분야는 Adeno-associated virus로 이는 AAV를 약물 전달 도구로써 활용하기 위해 여러 engineering method를 접목시켜 개발하는 연구 분야입니다. Adeno-ssociated virus, AAV는 병원성이 없고 면역원성이 낮으며, 표적세포 내에서 안정적인 에피좀 형태로 유지되기 때문에 다른 viral vector들보다 안전하다는 특징이 있으며 장기간 유전자 발현이 가능하고, 세포 및 조직에 대한 유전자 도입 효율이 높기 때문에 차세대 유전자 치료 벡터로서 급부상하고 있습니다. 이러한 AAV를 보다 높은 전달효율을 보이는 약물 전달 도구로써 활용하기 위해 저희 연구실에서는 directedevolution, rational design 등 여러 capsid engineering 기법들을 사용하여 유전자 치료제 플랫폼으로써의 AAV의 이점을 끌어올리기 위한 다양한 연구를 진행 중에 있습니다. 앞으로 다양한 소재를 이용한 나노입자 연구를 수행하여, 높은 치료 효율의 약물전달체를 개발하는 것이 저희의 목표입니다.

끝으로 본 연구실은 효과적인 약물전달 시스템을 개발하기 위해 다수의 산학 및 기업체와 활발히 협업하고 있습니다.

AAV 관련 기업체와 다른 연구실과의 공동연구를 통해 원하는 부위에 바이러스가 보다 높은 전달 효율을 갖도록 AI를 사용하여 긴밀히 연구 중이고, 유전자 조작 기법을 사용한 유전자 전달체를 지질나노입자 및 하이드로젤과 접목시켜 효과적인 유전자 치료 시스템을 개발하고 있습니다. 또한 의대와의 협업을 통해 임상 및 동물실험을 계획하고 있습니다. 그 밖에도 국소적 유전자 치료제, 바이러스 치료제, 백신, 약물 전달체 개발에 관한 연구를 수행하고 있습니다.

4. 맺음말

 저희 나노바이오공학 연구실은 바이러스, 나노입자, 생체재료를 통한 효과적인 약물전달 시스템을 개발하고 이를 이용한 여러 질환을 치료할 수 있는 연구를 진행하고 있습니다. 나노 단위의 생명공학 연구로 조금 더 섬세하고 높은 효율을 가져다줄 수 있는 연구를 진행하고 있으며 우리의 연구가 실제 치료에 적용되어 많은 환자에게 도움이 되기를 희망합니다. 이상으로 학생들을 많이 신경 써주시고 아껴주시는 주계일 교수님의 이화여자대학교 화공신소재공학과 나노바이오공학 연구실의 소개를 마칩니다. 본 연구실에 관심있는 분들은 연구실홈페이지 (https://kjoolab.wixsite.com/nanobio-lab)를 방문해주시면 감사하겠습니다.

5. 연구실 대표 논문

1. Young Hoon Song, Eunhyun Ji, Kye Il Joo*, and Jeong Hyun Seo*. “Development of mechanically reinforced bioadhesive electrospun composite nanofiber using cellulose acetate-levan complexes” Cellulose 2023, 30: 1685-1696

2. Hogyun Cheong, Young-Joon Jun, Eun Young Jeon, Jong In Lee, Hyun Jun Jo, Hae Yeon Park, Eunjin Kim, Jong Won Rhie, Kye Il Joo*, and Hyung Joon Cha*. “Sutureless neurorrhaphy system using a macrophage-polarizing in situ visible light-crosslinkable adhesive protein hydrogel for functional nerve regeneration” Chemical Engineering Journal 2022, 445: 136641

3. Eun Young Jeon, Kye Il Joo* and Hyung Joon Cha*. “Body temperature-activated protein-based injectable adhesive hydrogel incorporated with decellularized adipose extracellular matrix for tissue-specific regenerative stem cell therapy” Acta Biomaterialia 2020, 114: 244-255

4. Kye Il Joo, Yeonsu Jeong, Sung-Min Hwang, Mincheol Shin, Jaeyun Lee, Garima Sharma, Haena Lee, Sin-Hyeog Im, and Hyung Joon Cha. “Harnessing the bioresponsive adhesion of immuno-bioglue for enhanced local immune checkpoint blockade therapy”Biomaterials 2020, 263: 120380.